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SIMULADORESPARAMEDIÇÃODEFLUXODELÍQUIDOSPOREFEITODOPPLERPARACONTROLEDEQUALIDADEDEEQUIPAMENTOSDEULTRA-SONOGRAFIA

CONFERENCEPAPER·NOVEMBER2008

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OliviaCoiado

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EduardoTavaresCosta

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SIMULADORES PARA MEDIÇÃO DE FLUXO DE LÍQUIDOS POR EFEITO DOPPLER PARA CONTROLE DE QUALIDADE DE EQUIPAMENTOS DE ULTRA-SONOGRAFIA

O. C. Coiado*, E.T. Costa*

*Departamento de Engenharia Biomédica – DEB/FEEC/UNICAMP e Centro de Engenharia Biomédica – CEB/UNICAMP, Campinas, Brasil

e-mail: olivia.coiado@hotmail.com

Abstract: In this work it is proposed the development of phantoms to allow de quality control of ultrasound equipments functioning on the Doppler mode with national technology and accessible cost. The device consists of a hydraulic circuit with a peristaltic pump, mixture simulating human tissue, tubes simulating arteries and blood-mimicking fluid. The peristaltic digital pump made it possible the simulation of cardiac beats, operating with flow rates of 45 to 150 ml/min and pulse rates of 60 to 200 beats/min. The blood-mimicking fluid simulated the human red cells with particles particles of PVC powder with a diameter of approximately 63 um, distilled water, glycerin, detergent and dextran. Palavras-chave: Ultra-som, Doppler, Phantom, Simulador, Controle de Qualidade. Introdução

Buscou-se com este projeto desenvolver um simulador para detecção de fluxo com ultra-som Doppler de tecnologia nacional e baixo custo, mais acessível para hospitais e clínicas que queiram implantar programas de testes de controle de qualidade de imagem por ultra-som.

O exame de ultra-som Doppler baseia-se no emprego de ondas de alta freqüência (entre 1 MHz e 15 MHz) na investigação do fluxo sangüíneo de um vaso ou na medição de batimento cardíaco fetal, por exemplo [1]. Quando uma onda ultra-sônica é dirigida para um alvo em movimento, é refletida com uma freqüência diferente daquela que caracterizava o som emitido, fenômeno denominado efeito Doppler. A diferença de freqüência é chamada de desvio Doppler. Quando um feixe ultra-sônico é dirigido para um vaso sangüíneo, a onda é refletida principalmente pelas células que fluem no interior desse vaso, notadamente as hemácias. Essa é a base para o uso da tecnologia Doppler na avaliação de parâmetros relacionados ao fluxo de sangue. Atualmente, o estudo do fluxo sangüíneo é feito pelo Doppler de forma não-invasiva e indireta, por dois diferentes métodos: o Doppler contínuo e o pulsado. Podendo ter dois modos de operação como o Doppler colorido e, mais recentemente, o power Doppler.

Os equipamentos disponíveis no mercado podem agregar um ou mais dos métodos acima citados e um programa de controle de qualidade de diagnóstico por imagem por ultra-som necessita checar se os valores medidos são os corretos, daí ser importante o uso de simuladores (phantoms) que mimetizam tecidos e fluxo sangüíneo [2].

A literatura especializada mostra relatos envolvendo controle de qualidade de aparelhos ultra-sônicos, busca por materiais mimetizadores de tecidos e órgãos e desenvolvimento de phantoms específicos, sendo a maioria de grupos de pesquisa estrangeiros [3].

Materiais e Métodos

Os phantoms desenvolvidos neste trabalho permitem o controle de qualidade de imagens de aparelhos de ultra-som, simulando as características de uma artéria, do sangue e da pulsação característica da bomba cardíaca. Foram feitos seis phantoms, usando dois simuladores de tecido diferentes e dois diâmetros de vasos diferentes.

Para encontrar o simulador de tecido definitivo foram feitas amostras-testes. Utilizou-se uma solução matriz de água, glicerina, ágar e pó de grafite [4]. As quantidades estão listadas na Tabela 1:

Tabela 1: Materiais do phantom de ágar.

Material Quantidade

Ágar 5 g

Glicerina 32 g

Água destilada 200 ml

Pó de grafite 1 g

A preparação do tecido consistiu na fervura da água misturada ao ágar e glicerina, após a fervura acrescentou-se o pó de grafite, agitou-se a mistura e completou-se um béquer de 250 ml até 2 cm acima de uma peça de alumínio cilíndrica e maciça de 3,3 cm de diâmetro e 4 cm de altura colocada no interior do mesmo béquer. Após o resfriamento completo,

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aproximadamente 3 horas, foram feitas as medidas de velocidade do ultra-som no tecido simulado.

Tabela 2: Materiais do phantom de parafina.

No preparo do outro mimetizador de tecido foram utilizados os seguintes materiais: parafina em gel com densidade de 0,834 g/ml, pó de grafite, e microesferas de vidro de diâmetro entre 45-90 µm com esfericidade de 80%. As quantidades utilizadas estão listadas na Tabela 2. O procedimento foi semelhante ao do phantom de ágar para permitir a medição da velocidade de propagação do ultra-som neste tecido. Velocidade do ultra-som no tecido simulado - A medida da velocidade de propagação da onda acústica no tecido simulado foi feita utilizando um sistema pulso-eco Panametrics modelo 5072, transdutor FUNBEC de 5MHz e osciloscópio digital Tektronix modelo TDS 360, sendo que o setup experimental é mostrado na Figura 1. O béquer com o cilindro e a amostra foi completado com água e o transdutor foi posicionado dentro da água perpendicularmente à face do cilindro de alumínio de forma a prover um sinal de eco com máxima amplitude. Os ecos referentes às interfaces água/tecido e tecido/alumínio são adquiridos e processados para o cálculo da velocidade.

Um dos problemas na medida da velocidade está relacionada com o início e o final do intervalo de tempo correspondente à posição dos ecos. Dessa forma, optou-se por aplicar a técnica da correlação cruzada que melhora consideravelmente a determinação do intervalo de tempo entre os sinais. Utilizando o programa Matlab foi possível processar os sinais obtidos no osciloscópio e consequentemente obter o valor da velocidade do ultra-som nos tecidos simulados. O valor máximo da função de correlação cruzada representa o índice do vetor de atrasos que por sua vez indica qual a diferença temporal entre os ecos das duas amostras. Considerando o atraso nos tempos dos sinais as velocidades encontradas foram de 1560 ± 1 m/s e 1450 ± 1 m/s, para os tecidos de ágar e de parafina, respectivamente, considerando 20 amostras.

Preparo do Tecido Simulado – Consideramos

como phantom o sistema composto pelo tecido simulado e tubulação para passagem de fluido, o fluido mimetizador de sangue e a bomba peristáltica para gerar o fluxo pulsátil. Embora tenham sido preparadas 6 amostras de tecido mimetizador, descreve-se neste trabalho os resultados com somente 3 amostras. O tubo utilizado nos tecidos A e B foi de silicone de 12 cm de comprimento, 3 mm de diâmetro interno e espessura de

parede 1,5 mm. Para o tecido C utilizou-se um tubo de silicone de 12 cm de comprimento, diâmetro interno 4 mm e espessura de parede 1,5 mm. A forma contendo o tubo e as amostras de tecido são mostradas na Figura 2. Figura 1: Sistema pulso-eco com transdutor de 5 MHz

acoplado à um osciloscópio. No preparo do tecido A foram utilizados 500g de parafina em gel, 0,4 g de pó de grafite e 0,1 g de pó de vidro guardando-se a proporcionalidade para não alterar a composição e mantida a velocidade de propagação já determinada. O procedimento para preparação foi o seguinte: 1) A parafina foi aquecida até 60°C; 2) Adicionou-se o pó de vidro e de grafite agitando lentamente para não formar bolhas; 3) Após o resfriamento para aproximadamente 50°C, adicionou-se lentamente a mistura na forma de acrílico até uma profundidade de 1 cm acima do tubo. No preparo dos tecidos B e C foram utilizados 500 ml de água destilada, 12,5 g de ágar, 2,5 g de pó de grafite e 80 g de glicerina, guardando-se a proporcionalidade para garantir a mesma velocidade de propagação medida anteriormente. O procedimento para preparação foi o seguinte: 1) A água destilada foi aquecida até 70°C, adicionou-se a glicerina e o ágar, esperou-se a fervura até 95°C; 2) Adicionou-se o pó de grafite agitando lentamente, foram adicionadas algumas gotas de detergente para facilitar a homogeneização da mistura; 3) Após o resfriamento até 50°C, foram adicionados os conservantes [3]; 4) A forma de acrílico foi preenchida lentamente com a mistura até 1 cm acima do tubo de silicone. Sangue - No preparo do sangue artificial usou-se água destilada, glicerina, pó de pvc com micro-esferas de aproximadamente 63 µm de diâmetro, detergente e adoçante. O adoçante foi usado para aumentar a viscosidade cinética do fluido mimetizador de sangue e não tem efeito algum sobre as propriedades físicas ou acústicas. O detergente garante que as partículas espalhadoras fiquem dispersas o suficiente para não formar grumos. A glicerina garantiu a viscosidade ao fluido, e o pó de pvc simulou as partículas espalhadoras, ou seja, as hemácias [5].

Material Quantidade

Parafina 200 g

Pó de vidro 0,16 g

Pó de grafite 0,04 g

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Figura 2: Caixa de acrílico na qual foi preparado o tecido de ágar e parafina, com tubo interno de silicone e

espessura do tecido simulador de 5 cm.

Para os testes foi usada uma bomba peristáltica digital da marca Watson-Marlow modelo 505DI acoplada ao tecido mimetizador e a um reservatório que continha o fluido mimetizador de sangue. No reservatório havia um misturador para evitar que as partículas de pvc decantassem no fundo. O dispositivo bomba peristáltica, tecido, e o reservatório do fluido mimetizador de sangue é um circuito fechado conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3: Circuito fechado do phantom: bomba peristáltica, tecido e reservatório do “sangue” e

misturador. Resultados

A bomba peristáltica fornece a vazão em ml/min, ou a rotação por minuto. Escolhendo valores aleatórios de RPM, calculou-se a ejeção observando quantos pulsos a bomba fornecia para 50, 100, 150 e 200 ml, dessa forma a ejeção é constante e conhecida de 0,55 ml/pulso para qualquer rotação:

Pulso

VolumeEjeção = (1)

Para calcular o pulso por minuto basta dividir a

vazão pela ejeção:

Ejeção

VazãoPPM = (2)

A bomba peristáltica apresenta três roletes em seu

eixo, proporcionando três pulsos a cada rotação fornecendo o valor de cada rotação por minuto (RPM) da bomba peristáltica.

3

PPMRPM = (3)

As simulações de batimentos cardíacos eram dadas

pela bomba peristáltica e trabalhou-se com os valores nominais de 60, 100, 150 e 200 PPM (pulso por minuto). A bomba fornecia a vazão ou a rotação por minuto. Na tabela 3 são mostrados todos os parâmetros estudados.

Tabela 3: Ejeção, Vazão, RPM e PPM da bomba peristáltica.

Para obter imagens do fluxo, foram realizados

testes no Laboratório do GIIMUS da FFCLRP da USP. Foi utilizado um transdutor linear, contendo 256 elementos piezoelétricos, com capacidade de operar nas freqüências 6, 8 e 10 MHz de um sistema ultra-sonográfico modelo Logiq-Book da GE. Os testes foram obtidos com um transdutor linear operando em 8 MHz e imagem ultra-sônica realizada com equipamento no Modo Doppler. Para o casamento de impedância usou-se água entre o transdutor e o phantom.

Na Figura 4 é mostrada a imagem do tubo em modo-B (inserto no centro da figura) com a janela eletrônica que marca a região para cálculo do fluxo para o tecido mimetizador A (parafina). O fluxo no ponto marcado é mostrado na parte principal da figura e a freqüência medida foi de 150 PPM, conforme definido para a bomba. Figura 4: Freqüências de batimento simulando 150 PPM

para o tecido mimetizador A (parafina).

Na Figura 5 é mostrada a imagem em modo-B e modo Doppler do mimetizador B (ágar), com o fluxo dentro do tubo de silicone. Na Figura 6 é mostrada a imagem em modo-B (à direita) e Modo Doppler (à esquerda). Acima de 35 rpm simulou o comportamento de uma artéria, ou seja 162 PPM (a) e para 108 PPM

Ejeção (ml/pulso)

Vazão (ml/min)

PPM (pulso por minuto)

RPM

0,550 ± 0,003 33,08 ± 2,10 60,14 ± 3,83 20

0,550 ± 0,003 58,89 ± 3,33 107,07 ±6,08 35

0,550 ± 0,003 88,21 ± 4,52 160,38 ±8,26 53

0,550 ± 0,003 110,33 ± 6,50 200,60±11,87 67

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simulou o comportamento de uma veia (b) segundo um médico especialista em ultra-sonografia.

Discussão

O circuito fechado com bomba peristáltica, tecido simulador, tubos e fluido mimetizador de sangue foram capazes de reproduzir um fluxo pulsátil similar ao de uma artéria humana acima de 35 RPM. Abaixo desse valor simulou-se a pulsação característica das veias. Os tubos utilizados não simulam necessariamente a complacência real de uma artéria, embora atendam as normas de controle de qualidade [6]. Os tecidos, tubos e fluido mimetizador são materiais de baixo custo e podem ser reproduzidos em escala, mostrando a versatilidade do phantom proposto. O phantom de parafina apresenta as seguintes vantagens: material de baixo custo e data de validade indeterminada, não sofre evaporação, pois não contém água, é não tóxico e não polui o ambiente, pode ser utilizado várias vezes, é gelatinoso e tem estabilidade térmica (ponto de fusão de 62 °C, acima da temperatura ambiente), a velocidade de propagação ficou em torno de 1450 m/s. Sua desvantagem é sua baixa elasticidade, podendo sofrer danos mecânicos durante o manuseio.

As principais vantagens dos tecidos preparados com ágar são: material de baixo custo, data de validade de aproximadamente 6 meses, é não tóxico e não polui o ambiente, a velocidade de propagação ficou em torno de 1560 m/s. As principais desvantagens do tecido preparado com ágar são: sofre evaporação pois contém água destilada, não pode ser refeito como ocorre com o tecido mimetizador preparado com parafina.

Figura 5: Imagem em Modo-B mostrando o fluxo em cores no interior do tubo.

Conclusão Os simuladores construídos conseguiram reproduzir um fluxo pulsátil para o controle de qualidade de aparelhos de ultra-som operando em modo Doppler. O estudo terá continuidade com o desenvolvimento de uma bomba peristáltica de baixo custo, atualmente em andamento em nosso laboratório. Agradecimentos

À CAPES pelo apoio financeiro e ao Prof. Antônio Adilton Oliveira Carneiro, do GIIMUS da FFCLRP da USP de Ribeirão Preto.

Figura 6: Comportamento de uma artéria (a), comportamento de uma veia (b).

Referências [1] Murta, C.G.V.; Batistuta, P.N., Cunha Filho, J.S. (2002) – “Dopplerfluxometria no Estudo da Circulação Fetal: Revisão do Aspecto Segurança”, Radiologia Brasileira, v.35, n°. 6. [2] Picot, P.A. (1997) – “Blood Flow Visualization and Flow Rate Estimation with Color Doppler Ultrasound”, Department of Medical Biophysics, PhD Thesis, Faculty of Graduate Studies, The University of Western Ontario, Ontario, December. [3] Rickey, D.W., Fenster, A. (1996) - A Doppler Ultrasound Clutter Phantom, Ultrasound in Medicine & Biology, vol.22, n.6, p.747-766. [4] Sato, S.Y., Pereira, W.C.A., Vieira, C.R.S. (2002) – “Phantom para Medição da Faixa Dinâmica de Equipamentos de Ultra-som Biomédicos”, Revista Brasileira de Engenharia Biomédica, v.19, p.157-166. [5] Ramnarine, K.V., Nassiri, D. K., Hoskins, P.R., Lubbers, J. (1998) – “Validation of a new blood-mimicking fluid for use in Doppler flow test objects”, Ultrasound in Medicine and Biology, v.12, n.3, p.451-459. [6] INTERNATIONAL ELECTROTECHINICAL COMMISSION (1993), “Technical Report IEC 1206: Ultrasonics – Continuous-wave Doppler systems – Test procedures to determine performance specifications”, Genève, Suisse, p. 33-41.