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Laboratorio de Acústica Ultrasonora Instituto de Física-Facultad de CienciasMontevideo Uruguay
--Interacción ondas ultrasónicas –materia--Transductores piezoeléctricos--Sensores ferroeléctricos--Fénomenos acústicos no lineales: cavitación, vorticidad, Campos intensos--Aplicaciones : caracterización de materiales sólidos, fluídos, Imaginería en medicina y control no destructivo, terapia en Medicina.
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Ultrasound echography and elastography performancesin imaging applications
1-Basic physical aspects of ultrasound imaging in biological tissueWave equation with sources.Diffusion, reflection , refraction.Local variations of density, elasticity and absorption in biological tissues.
2- Ultrasound EchographyBeam shapes and focusingDiffraction laws and absorption laws.Focal resolution , lateral resolution and side lobes. Different solutionsAxial resolution with pulsed wavesSome physical limitations in echographic imaging
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Some advantages of Ultrasound-Usually non invasive-No ionising radiation involves-machines are relatively inexpensive-installation is inexpensive-mobile-Real time-excellent temporal resolution-can access the patient during imaging-can be used to guide interventional-can be used to guide interventional procedures
Some disadvantages of ultrasound-Cannot penetrate gas-distorded by bone-subject to artefacts-can be used by untrained personnel
Propagation ultrasound in tissue-in soft tissues propagation is by means of longitudinal waves only-other modes of vibration may occur in bone-frequencies are usually between 2MHz and 10 MHZ , although fre-quencies of up to about 60 MHZ are being used in some applications
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Se trata de reconstituir la carta de esas inhomogeneidades con la mayor precisión.Hay en teoria que invertir la ecuacion , muy complicado,
imposible dada la presencia de p en el termino fuente Inhomegeneidades débilmente perturbadoras(aproximación
de Born): tejidos biológicos. Así se puede desacoplar completamente el efecto de cada inhomegeneidad sobre el campo difractado.
Principios físicos de la imaginería ultrasónica
),,,(),( αχρ ΔΔΔ= pStrpcon 2
2
2 .1tc ∂∂
−Δ=
Ec. de ondas con fuentes
),().(),,,(0
001
0
10
trprSppSpp
ppp
=ΔΔΔ===
+=
αχρ
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--Pequeña inhomogeneidad de densidad: dipolo acústico análogo a dipolo eléctrico oscilante
--Inhomogeneidad de elasticidad: monopolo acústicoComo una esfera pulsante, intensidad depende de la aceleraciónradial (derivada segunda de la presión)
Diagrama de radiación muy directivo según el eje del dipoloFuerza igual a gradiente de la presión acústica
--Variaciones de la absorción: membrana pulsantediagrama de radiación complejo, pero débil en general
Fuentes acústicas
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⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∇
Δ=
02
2
02
0
..1),(.χχ
ρρ
dtpd
Ctrpgradp
Rol de la absorción es pobre en difusión pero importante su acción sobre p0 onda incidente-Fluctuaciones de densidad comportamiento anisótropo
-Fluctuaciones de elasticidad comportamiento isótropo
Si el medio es débilemente inhómogeneo ( Born, difusión simple)las radiaciones dipolares y monopolares se combinan de tal formaque la energía retrodifundida solo proviene de las fluctuaciones dela impedancia
χρ
Z= = cρ
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--La energía difundida hacia adelante depende de las fluctuaciones dede la velocidad
ρχ1
=c refracción
--La energía difundida en ángulo recto depende de las fluctuacionesde χ
Encontramos entonces las leyes bien conocidas de reflexión:
2
12
12⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
=ZZZZR
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Decodificación de las ondas esféricas que engendra el campo difrac-tado la elección del tipo de decodage depende de numerosos factores:
- posición de detectores relativos al transductor emisor:imaginería por transmisión, o por reflexion ecografia.
- código temporal de insonorisación acustica p0: señales breves,señales monocromaticas.
- código espacial de insonorisación acustica p0 : insonorizar todo el objeto en un tiro, solo una parte (plano,linea, punto). A más selec-tividad espacial mayor resolución en las imágenes pero mas tiempo de adquisición.
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Se puede clasificar los procedimientos usuales de imaginería ultrasónica hasta la actualidad :
--Análogos a los de óptica: lentes, holografia
--Tipicas ultrasónicas: ecografía sea secuencial (línea por línea),para-lelas utilizando numerosos receptores .
-- Reconstrucción digital tomográfica (análogas a Scanner Rayos X), pero con ultrasonido pudiendo trabajar sea en transmisión sea en modoecográfico.
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B-mode image formation
A-scans:echo position and size-echo position depends on: -the time of fligth of then pulse .This is dictated by both distance and velocity.-echo sizes dependent on:-the difference in acoustic impedance at each interface-the attenuation between the interface and transducer *2-the processing of the returned echoes
Ecografia--Elegir el mismo plano de recepción que el de transmisión, insonorisando con señales muy breves. Así se dispone de una información suplementaria : el tiempo de llegada : t = 2z/c, z distancia al blanco, c velocidad del sonido
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Some recents developments in pulse echo techniques
-1.5 D transducers-dynamic transmit focussing -coded excitation (TRM)-tissue harmonic imaging-spatial compounding-frequency compounding-panoramic imaging-synthetic aperture imaging-Constrast agents-3-D imaging-adaptative (spatial) filtering
Frequency compounding
-echoes obtained using different ultrasonic frequencies have different patterns of interferences (speckle)-summing signals after detection results in a reduction inSpeckle relative to signals , which leads to increased contrast
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Z2
Z3
Z1
Z=ρC Pequeñas diferencias de impedancia entre diferentestejidos biológicos
C=1530 m/s velocidad del sonidoFluctuaciones 4% salvo aire y huesoAtenuación en tejidos limita profundidad y es:
12ZΔ23ZΔ
βωωα =)(
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Parámetros importantes
--Resolución axial: depende del ancho de banda de excitación
2/tcz Δ=Δ
Resoluciónlateral según x
Resoluciónaxial según z
--Resolución lateral: depende de la geometría
)/( DFx λ=Δ
--Profundidad de campo: depende de geometría -electrónica2)/(7 DFz λ=Δ
D
Anillos FresnelAnillos BesselArrays con retardos
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--Atenuación: depende del medio , cambia el espectro , lo correhacia las bajas frecuencias ( filtro pasabajo), limita profundidad
--”Speckle”: depende del medio, interferencias constructivasde difusores de tamaño menores que el largo de onda us
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Resúmen de problemas, soluciones y limitaciones de la ecografía us.
--Resolución axial: pulsos breves y transductores bien amortiguados
--Resolución lateral: límite dado por la difracción, soluciones por geometría, nuevos transductores (composites 1-3 ) y/o electrónica.
--Profundidad de campo: idem
--Atenuación:limita sensibilidad , solucíón mejor adaptación (1-3, elec-trónica),multifrecuencias.
--”Speckle”: limita resolución en imágenes, soluciones tipo composición espacial, inversión temporal.
--Alternativas actuales: caracterización de tejidos, elastografía .
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ULTRASONIDO EN MEDICINA
-Conceptos generales
-Transductores piezoeléctricos
-Física de la interacción tejido biológico-ultrasonido
-Electrónica
-Tratamiento de señales
-Tratamiento de imágenes
-Ecografía , Elastografía, Tomografía ......
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Conceptos generales
-Rango de frecuencias : 20 KHz a 2 GHz
-Difracción. Atenuación. Dispersión.
-Aplicaciones:--Materiales: todo el rango de frecuencias--Prospección submarina: de 20 KHz a 150 KHz--Microscopía acústica: GHz--Diagnóstico clínico en medicina: 0.5 MHz a 80MHz,
Ventajas: 3D real en volumen real, inocuo, bajo costo relativo
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Transductores piezoeléctricos: cerámicas tipo PZT
Modos de vibración
Piezocomposites
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Parámetros importantes
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Propiedades dieléctricas de los transductores piezoeléctricos
• Constante dieléctrica relativa: (T cte.) • Constante dieléctrica relativa: (S cte.) • Pérdidas dieléctricas:
•Propiedades electromecánicas •Frecuencia de resonancia eléctrica • Frecuencia de antiresonancia eléctrica
•Propiedades piezoeléctricas
•Coeficiente de acoplamiento electromecánico
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Propiedades acústicas
-Velocidades longitudinal y transversal -Impedancia acústica Respuesta acusto-eléctrica -Factor de calidad acústico
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PiezoelectricidadAlta densidadAlta impedanciaacústica
Propiedades
Cerámicaspiezoeléctricas
FlexibilidadBaja densidadBaja impedanciaacústica
Propiedades
Polímero
Compositespiezoeléctricos
Transductores piezocomposites: bien adaptados en impedancia para diagnóstico clínico
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0,0 5,0x105 1,0x106 1,5x106 2,0x106
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
Armónico delmodo fundamental
Admtancia y Fase de cerámica 11 %
Frecuencia (Hz)
Adm
itanc
ia (m
S)
Admitancia
-20
0
20
40
60
80
100Fase (grados)
Fase
CaracterizaciónEléctrica de los Transductores piezoeléctricos
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Caracterizaciónde emisión acústica de transductores piezoeléctricos paraultrasonido