Aprendendo sobre a ultrassonografia no sistema locomotor - a física do ultrassom
Alguns conceitos da física são importantes para o entendimento do funcionamento do ultrassom para a criação e interpretação ideais de uma imagem. As imagens de ultrassom são criadas por ondas sonoras refletidas que retornam ao transdutor. A natureza da imagem é baseada nas propriedades dos diferentes tecidos do corpo e existem vários fatores que influenciam este processo.
EFEITO PIEZOELÉTRICO
Os aparelhos de ultrassom usam o efeito piezoelétrico para gerar uma imagem. O efeito piezoelétrico refere-se à criação de energia elétrica pela aplicação de outra energia (pressão) a um cristal.
As cargas elétricas são aplicadas aos cristais do transdutor fazendo-os vibrar e emitir ondas sonoras (pulso). Este processo é conhecido como efeito piezoelétrico reverso (ou inverso).
Quando os potenciais elétricos criados pelo efeito das ondas sonoras, que retornam do tecido ao transdutor, sobre os cristais (eco). Este processo é conhecido como efeito piezoelétrico direto.
O padrão distinto de cargas elétricas, emitidas pelo retorno das ondas sonoras, é usado para criar a imagem na tela do ultrassom.
Figura 1 - diferenças entre o pulso e o eco.
ONDAS SONORAS
Frequência
A frequência da onda sonora é medida em ciclos por segundo ou Hertz (Hz). Pela definição, ondas sonoras maiores que 20.000 Hz estão na faixa ultrassônica, ou seja, estão fora da faixa normal de audição humana, que é de 20 a 20.000 Hz.
A frequência usada em imagens médicas de ultrassom é geralmente de 2 a 15 megahertz (MHz). A faixa para a maioria das aplicações musculoesqueléticas superficiais está na extremidade superior deste intervalo, geralmente, entre 8 a 15 MHz.
A frequência da onda sonora emitida é controlada pelo tipo do transdutor.
Figura 2 - Imagem de um transdutor linear de banda larga.
A maioria dos transdutores é descrita pela faixa que são capazes de emitir. Este intervalo é denominado largura de banda do transdutor. Os transdutores que têm mais de uma faixa de frequências operacionais são chamados de transdutores de banda larga.
A otimização da imagem requer atenção à frequência das ondas sonoras. As ondas sonoras de frequência mais baixa penetram mais profundamente e, portanto, podem fornecer melhor clareza de uma estrutura mais profunda.
Figura 3 - Diferenças entre as ondas sonoras de alta e baixa frequências. A forma de onda de baixa frequência penetra mais profundamente no mesmo tecido. As formas de onda de alta frequência fornecem melhor resolução de tecidos mais superficiais.
Em contraste, as ondas sonoras de frequência mais alta não penetram bem no tecido, mas fornecem resolução mais alta de uma estrutura mais superficial.
Figura 4 - Imagens de ultrassom demonstrando o efeito das mudanças de frequência de onda sonora incidente na aparência da imagem. As frequências mostradas são (A) 15 MHz, (B) 12 MHz, (C) 9 MHz e (D) 8 MHz. Embora as diferenças possam parecer mínimas, há uma melhor resolução das estruturas superficiais nas frequências mais altas e uma melhor penetração das ondas sonoras nas frequências mais baixas.
Atenuação
Conforme as ondas sonoras viajam pelo tecido, há uma redução progressiva na intensidade da onda. Esse processo é conhecido como atenuação.
Figura 5 - Demonstração da atenuação das ondas sonoras incidentes (seta vermelha) à medida que viaja pelo tecido. A propagação contínua da onda sonora é menor devido à reflexão, refração e absorção de porções da onda sonora incidente.
A atenuação ocorre como resultado de três processos: reflexão, refração e absorção. A propriedade do grau de atenuação da onda sonora em um tecido específico é conhecida como coeficiente de atenuação desse tecido.
Reflexão
O reflexo no ultrassom se refere ao retorno da energia da onda sonora de volta ao transdutor. Esse princípio é o que permite que a imagem seja gerada pela máquina de ultrassom. Geralmente, mais reflexão resulta em uma imagem mais hiperecóica (mais brilhante). A reflexão ocorre nos limites do tecido, onde os tecidos de cada lado dos limites têm diferenças na impedância acústica. Diferenças maiores nessas impendâncias acústicas, portanto, resultam em mais reflexão.
Figura 6 - Demonstração da reflexão. Uma parte das ondas sonoras incidentes (seta vermelha) são refletidas de volta para o transdutor (seta verde) após atingir tipos de tecido com impedâncias diferentes. Uma parte das ondas sonoras incidentes continua a se propagar através do tecido (seta roxa).
A reflexão pode ser considerada especular ou difusa. A reflexão especular ocorre quando o as ondas sonoras encontram grandes superfícies lisas, como o osso, o que resulta nas ondas sonoras sendo refletidas de volta em uma direção relativamente uniforme. As células da maioria dos tecidos moles criam um padrão de reflexão mais difuso para o transdutor (Figura 2.6).
Figura 7 - Comparação entre o reflexão especular e o reflexão difusa. (A) A superfície lisa na reflexão especular resulta em mais retorno das ondas sonoras refletidas para o transdutor (setas verdes), criando uma imagem mais hiperecoica (mais brilhante). O tecido menos uniforme na reflexão difusa resulta em menos retorno das ondas sonoras refletidas e uma imagem mais hipoecóica (mais escura). (B) Ultrassonografia mostrando a aparência de reflexão especular. Observe que a grande superfície lisa do osso (setas amarelas) leva a um sinal brilhante devido à diferença significativa de impedância entre ele e o tecido adjacente. (C) Ultrassonografia mostrando o aparecimento de reflexo mais difuso no tecido muscular. Observe que as diferenças menores na impedância acústica refletem vários tons de cinza em vez do sinal brilhante observado com a interface do osso.
O ângulo de incidência da onda sonora que entra também é crítico para a quantidade de reflexão de volta para o transdutor. O ângulo de incidência se refere ao ângulo de desvio de uma linha perpendicular à superfície do tecido. Quando o ângulo de incidência é maior, menos ondas sonoras são refletidas de volta para o transdutor, resultando em uma imagem mais hipoecóica (mais escura) com menos clareza.
Figura 8 - Demonstração do efeito do ângulo de incidência da onda sonora. Quando o ângulo de incidência perpendicular (ou seja, 0 graus) (imagem à esquerda) a uma interface suave resulta na maior quantidade de ondas sonoras retornando ao transdutor. Esta posição do transdutor ajuda a criar uma imagem ideal. Uma onda incidente atingindo a interface em um ângulo de incidência maior que 0° (ou seja, menor que perpendicular) resultará na onda sendo desviada para longe do transdutor em um ângulo igual ao ângulo de incidência no oposto direção (imagem à direita). Nessa circunstância, o sinal do eco de retorno é enfraquecido, criando uma imagem mais escura (artefato anisotrópico).
A reflexão ideal com mais ondas sonoras ocorre quando o ângulo de incidência se aproxima de zero e é virtualmente perpendicular ao tecido de interesse. Uma abordagem de onda sonora incidente que se desvia da perpendicular ao tecido (isto é, ângulo de incidência menor que 0°) resulta em um artefato conhecido como anisotropia.
Figura 9 - Imagens de ultrassom demonstrando o efeito do artefato anisotrópico na imagem. O nervo mediano (seta amarela) é mostrado próximo aos tendões flexores circundantes (setas azuis). Em (A), o feixe de som incidente é quase perpendicular criando uma imagem nítida. Em (B), há um ângulo de incidência aumentado resultando em menos clareza (artefato anisotrópico). Em (C), o ângulo de incidência é muito maior resultando em artefato anisotrópico mais extremo com escurecimento das estruturas.
Refração
A refração ocorre quando a onda sonora incidente entra em contato com os limites dos tecidos em um ângulo oblíquo. Isso faz com que o feixe de som refletido se desloque em uma direção que está longe do transdutor (Figura 2.9). A refração, portanto, resulta em uma perda do sinal propagado.
As configurações convencionais da instrumentação de ultrassom calculam as ondas de retorno como se estivessem viajando em linha reta. Isso leva a uma perda de clareza da imagem à medida que a refração aumenta.
Figura 10 - Demonstração da refração. Se a velocidade de propagação da onda sonora for mais rápida no primeiro tecido (menor impedância no tecido 1), então a refração ocorre em direção ao centro (perpendicular à interface) (seta verde). Se a velocidade for maior no segundo tecido (menor impedância no tecido 2), então a refração está longe do feixe incidente (seta roxa).
A direção das ondas sonoras refratadas é prevista pela lei de Snell, que afirma que a magnitude da refração é diretamente proporcional ao ângulo de incidência e à diferença na velocidade das ondas sonoras dentro dos dois tipos de tecido. A relação das características de velocidade dos diferentes tecidos também influencia a direção da refração. Se a propagação da onda sonora for mais rápida no primeiro tecido devido à menor impedância do tecido, a refração será mais perpendicular.
Se a impedância for menor no segundo tecido, resultando em uma propagação mais rápida da onda sonora, a refração ocorre longe da direção original.
Absorção
Outra fonte de atenuação da propagação da onda sonora é a absorção da onda sonora. Isso ocorre quando a energia da onda sonora é emitida como calor. Como resultado, nenhuma dessa energia retorna ao transdutor para contribuir com a criação do sinal.
Dispersão
Dispersão refere-se à propagação de ondas sonoras incidentes em direções oblíquas. Isso ocorre quando o tecido observado não é completamente heterogêneo ou apresenta bordas rugosas (Figura 2.10). O retorno dessas ondas sonoras propagadas obliquamente é denominado retroespalhamento. O padrão de imagem aleatório criado pelo retroespalhamento é denominado speckle.
Figura 11 - Demonstração do princípio de dispersão. A dispersão ocorre quando a onda sonora incidente (grande seta vermelha) atinge uma superfície irregular ou não homogênea. Partes das ondas sonoras são espalhadas aleatoriamente, enquanto o restante continua como uma onda de propagação (pequena seta vermelha). A dispersão também pode ocorrer quando a onda de propagação atinge um objeto menor, como um glóbulo vermelho.
Freqüência harmônica
Por causa das características e propriedades variáveis dos tecidos, ondas sonoras do ultrassom podem ser produzidas que não inteiramente lineares. O retorno dessa propagação não linear para os transdutores pode produzir um padrão distinto de eco mais linear. Essas ondas são chamadas de ondas de frequência harmônica. Essas ondas são geralmente de frequência mais alta do que as ondas sonoras originais. Em algumas circunstâncias, as ondas de frequência harmônica podem ser avaliadas e podem fornecer uma imagem com menos artefatos do que a onda propagada primária. Isso é particularmente útil com tecido que tem densidade com contraste significativo.
PROPRIEDADES DO TECIDO
Velocidade das ondas sonoras
A velocidade de transmissão das ondas sonoras é afetada pelas propriedades do meio em que está viajando. As ondas sonoras geralmente viajam mais lentamente em meios gasosos, mais rapidamente em fluidos e ainda mais rapidamente em materiais sólidos. As ondas de ultrassom viajam pela maioria dos tecidos humanos a uma velocidade de 1.540 m/s. Os instrumentos de ultrassom usam essa velocidade para cronometrar os ecos que retornam para calcular a profundidade do tecido e construir imagens.
Impedância acústica
A impedância acústica se refere à propriedade de um tecido que permite a propagação de ondas sonoras. A impedância acústica mais alta do tecido resulta em menos propagação da onda sonora. A quantidade de energia sonora refletida de volta para o transdutor é diretamente proporcional à diferença na impedância acústica entre os tecidos. As interfaces de tecido com uma diferença maior na impedância acústica resultarão em uma quantidade maior de energia sonora refletida de volta para o transdutor. Isso resulta na produção de um sinal mais brilhante (hiperecoico). Um exemplo disso é o tecido muscular com impedância acústica relativamente baixa, próximo ao tecido ósseo com impedância acústica muito alta. A reflexão resultante dessa interface produz um sinal muito brilhante (hiperecoico).
Figura 12 - Imagem de ultrassom demonstrando as características do sinal brilhante de um local com uma grande diferença na impedância do tecido. O sinal hiperecoico (brilhante) é visto com tecido de impedância relativamente baixa próximo ao osso de alta impedância.
Referência bibliográfica:
Strakowski, JA. Introduction to Musculoskeletal Ultrasound - Getting Started. Demos Medical, New York, 2016.