Laboratorio de Acústica Ultrasonora Instituto de Física-Facultad de ...

Laboratorio de Acústica Ultrasonora
Instituto de Física-Facultad de Ciencias
Montevideo 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.

Ultrasound echography and elastography performances
in imaging applications
1-Basic physical aspects of ultrasound imaging in biological tissue
Wave equation with sources.
Diffusion, reflection , refraction.
Local variations of density, elasticity and absorption in biological tissues.
2- Ultrasound Echography
Beam shapes and focusing
Diffraction laws and absorption laws.
Focal resolution , lateral resolution and side lobes. Different solutions
Axial resolution with pulsed waves
Some physical limitations in echographic imaging

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 frequencies
of up to about 60 MHZ are being used in some applications

Principios físicos de la imaginería ultrasónica
p(
r,
t)
= S(
p,
Δρ,
Δχ,
Δα)
1 ∂
c ∂ t
con 2
2
2 .
= Δ −
Ec. de ondas con fuentes
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.
p
p
p
0
1
=
=
=
p
0
0
+
S(
p
p
1
=
p
0
, Δρ,
Δχ,
Δα)
=
S(
r).
p
0
( r,
t)

Fuentes acústicas
--Pequeña inhomogeneidad de densidad: dipolo acústico
análogo a dipolo eléctrico oscilante
Diagrama de radiación muy directivo según el eje del dipolo
Fuerza igual a gradiente de la presión acústica
--Inhomogeneidad de elasticidad: monopolo acústico
Como una esfera pulsante, intensidad depende de la aceleración
radial (derivada segunda de la presión)
--Variaciones de la absorción: membrana pulsante
diagrama de radiación complejo, pero débil en general

p
=
⎛
grad ⎜
⎝
Δρ
⎞
. ∇p(
r,
t)
⎟
ρ0
⎠
+
1
C
2
0
2
d p ⎛ Δ ⎞
⎜
χ
. . ⎟
2
dt ⎝ χ0
⎠
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 forma
que la energía retrodifundida solo proviene de las fluctuaciones de
la impedancia ρ ρc
Z= =
χ

--La energía difundida hacia adelante depende de las fluctuaciones de
de la velocidad
c
=
1
ρχ
refracción
--La energía difundida en ángulo recto depende de las fluctuaciones
de χ
Encontramos entonces las leyes bien conocidas de reflexión:
⎛ Z
R
= ⎜
⎝ Z
2
2
−
−
Z
Z
1
1
⎞
⎟
⎠
2

Decodificación de las ondas esféricas que engendra el campo difractado
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 selectividad
espacial mayor resolución en las imágenes pero mas tiempo
de adquisición.

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),paralelas
utilizando numerosos receptores .
-- Reconstrucción digital tomográfica (análogas a Scanner Rayos X),
pero con ultrasonido pudiendo trabajar sea en transmisión sea en modo
ecográfico.

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
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
B-mode image formation

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 in
Speckle relative to signals , which leads to
increased contrast

Z=ρC Pequeñas diferencias de impedancia entre diferentes
tejidos biológicos
ΔZ12
Z1
ΔZ23
Z2
Z3
C=1530 m/s velocidad del sonido
Fluctuaciones 4% salvo aire y hueso
Atenuación en tejidos limita profundidad y es:
α (
ω)
=
βω

Parámetros importantes
--Resolución axial: depende del ancho de banda de excitación
D
Resolución
axial según z
Δz
= cΔt
--Resolución lateral: depende de la geometría
Δx
= λ ( F / D)
/
2
Resolución
lateral según x
--Profundidad de campo: depende de geometría -electrónica
Δz
= 7λ ( F / D)
2 Anillos Fresnel
Anillos Bessel
Arrays con retardos

--Atenuación: depende del medio , cambia el espectro , lo corre
hacia las bajas frecuencias ( filtro pasabajo), limita profundidad
--”Speckle”: depende del medio, interferencias constructivas
de difusores de tamaño menores que el largo de onda us

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, electrónica),multifrecuencias.
--”Speckle”: limita resolución en imágenes, soluciones tipo composición
espacial, inversión temporal.
--Alternativas actuales: caracterización de tejidos, elastografía .

ULTRASONIDO EN MEDICINA
-Conceptos generales
-Transductores piezoeléctricos
-Física de la interacción tejido biológico-ultrasonido
-Electrónica
-Tratamiento de señales
-Tratamiento de imágenes
-Ecografía , Elastografía, Tomografía ......

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

Transductores piezoeléctricos: cerámicas tipo PZT
Modos de vibración
Piezocomposites

Parámetros importantes

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

Propiedades acústicas
-Velocidades longitudinal y transversal
-Impedancia acústica Respuesta
acusto-eléctrica
-Factor de calidad acústico

Transductores piezocomposites: bien adaptados en impedancia para
diagnóstico clínico
Cerámicas
piezoeléctricas
Propiedades
Composites
piezoeléctricos
Piezoelectricidad
Alta densidad
Alta impedancia
acústica
Polímero
Propiedades
Flexibilidad
Baja densidad
Baja impedancia
acústica

Admitancia (mS)
0,004
0,003
0,002
0,001
0,000
Fase
Admitancia
Admtancia y Fase de cerámica 11 %
0,0 5,0x10 5
1,0x10 6
Frecuencia (Hz)
Armónico del
modo fundamental
1,5x10 6
2,0x10 6
100
80
60
40
20
0
-20
Caracterización
Eléctrica de los
Transductores piezoeléctricos
Fase (grados)

Caracterización
de emisión acústica
de transductores
piezoeléctricos para
ultrasonido