PT89735B

PT89735B - Metodo e dispositivo para ensaio acustico nao-invasivo da elasticidade de tecidos biologicos macios

Info

Publication number: PT89735B
Application number: PT89735A
Authority: PT
Inventors: Sarvazyan P Armen; Ponomarjev Viktor; Veksler Akiva; Vucelic Dusan; Popovic Goran
Original assignee: Inst Of General And Physical C; Inst Of Biolog Physics Of The
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1991-10-31
Also published as: HU202650B; TR24539A; AU3000089A; EP0329817A3; IS3423A7; DD283560A5; PT89735A; JPH0221840A; ES2035156T3; GR3006246T3; ATE79473T1; CN1036505A; HUT52623A; DE3873742D1; AR242898A1; DE3873742T2; IS1488B; KR920006032B1; BR8900698A; EP0329817A2

Description

A presente invenção refere-se ao ensaio das propriedades elásticas de tecidos biológicos macios. Mais particularmente, a presente invenção proporciona um dispositivo acústico e método para medição não-invaeLva da velocidade de ondas acústicas superficiais em tecidos, fornecendo assim o meio para avaliar as propriedades elásticas ao corte de tecidos para os fins de diagnóstico médico.

Fundamento da Invenção

As propriedades viscoelásticas dos tecidos biológicos estão directamente relacionadas com a sua organização estrutural. Verificou-se gue as propriedades elásticas de volume de tecidos são principalmente determinadas . pela sua composição molecular, enquanto a elasticidade ao corte é caracteristica de niveis de estrutura mais elevados. Os processos fisiológicos num organismo podem ter como resultado alterações estruturais nos tecidos que podem ser detectados medindo as suas propriedades elásticas ao corte.

Os métodos de ensaio das propriedades viscoelásticas de tecidos são essencialmente baseados em medições invasivas em amostras isoladas. Maxwell, por exemplo, empregou as vibrações de torção duma amostra cortada na forma de vareta cilíndrica fixada numa das extisnidades (Maxwell

B. , ASTM Buli, 215, 76, 1956). 0 módulo de corte foi determinado medindo a intensidade de força necessária para proporcionar uma dada deformação na outra extremidade da vareta. A gama de frequências de trabalho foi de 0,001 a 200 kHz.

Para medir as propriedades elásticas de volume, isto é, a velocidade ultra-sónica e a compressibilidade de volume de meios, foi desenvolvida uma grande variedade de métodos utilizando as ondas acústicas de volume numa

_Α ·- ' ? 2 ·\ gama de alta frequência. Por exemplo, de acordo com um desses métodos (Nole A.W., Mowry S.C. J. Acoust. Soc. Amer.,

20, 432, 1948), a velocidade do som foi avaliada a partir da medição do tempo-de-voo dum impulso acústico na amostra a ser ensaiada, que é imersa num liquido entre o transdutor e o reflector ultra-sónicos.

Entre os métodos conhecidos de ensaio não -invasivo das propriedades elásticas de volume de tecidos está o método e dispositivo para monitoração não-invasiva das flutuações instantâneas naâ propriedades relacionadas com a viscoelasticidade dum tecido vivo (Benjamin Gavish, paterte europeia EP 0 135 325 A2, patante dos E.U. ^4580574, T. 1065). O dispositivo compreende um par de piezotransdutores essencialmente paralelos, espaçados, sendo um deles ajustável em relação ao outro para possibilitar a inserção e fixação entre eles dum segmento de tecidos vivo. Um transdutor é ligado a um gerador de alta frequência e o outro é posto em ligação, através dum amplificador e desmodulador, com um nalisador de sinais. A frequência das oscilações ressonantes ultra-sónicas induzidas num tecido e a sua amplitude são características das propriedades viscoelásticas do tecido.

O referido método de ensaiar os tecidos torna possível detectar certos processos fisiológicos e particularmente as alterações na microcirculação de sangue. Mas, dado que o objecto do ensaio são as propriedades elásticas de volume que podem variar nos tecidos de não mais do que alguns por cento, a exactidão de tal método não seria muito elevada, comparada com a exactidão dos métodos que utilizam a elasticidade ao corte, que pode mudar em alguns casos centenas por cento, dependendo do estado fisiológico dum tecido. 0 método nao implica qualquer meio para controlar a força com que os transdutores são aplicados a uma amostra de tecido colocada no intervalo entre eles. Mas essa pressão afecta as propriedades das amostras e ainda aumenta o erro de medição. Além disso, porque é muitas vezes dificil dar acesso,

aplicável na maior parto do corpo.

Ê impossível avaliar por meio deste método uma das caracterisiticas importantes relativas à organização estrutural de tecidos vivos - a sua anisotropia, isto é, a diferença de propriedades mecânicas em várias direcções.

As possibilidades de ensaiar as propriedades elásticas ao corte de tecidos biológicos foram investigadas na comunicação de V.A. Passechnik, A.P. Sarvazyan:

Da possibilidade de exame dos modelos de contracção de músculos medindo as propriedades viscoelásticas do músculo em contracção (Studia Biophysica, Berlim, volume 13, 1969, fascículo 2, págs. 143-150). Neste trabalho , foram estudadas as alterações nas propriedades elásticas dum músculo isolado durante a contracção. As oscilações acústicas de baixa frequência (450 a 1200 Hz) foram excitadas numa amostra por mexo dum piezotransdutor flexível e recebidas a distância pelo peizotransdutor idêntico. A tensão do músculo foi medida em várias fases de contracção. O módulo de elasticidade ao Corte foi avaliado medida a amplitude e a fase do sinal recebido .

De acordo com o outro método de ensaiar a elasticidade ao corte de tecidos (R.O . Rotts, D.A. Christman, E.M. Buras: As propriedades mecânicas dinâmicas da pele humana in vivo, J. of Biomechahics, Vol. 16, 6, pp. 365-372, 1983), as oscilações de corte no tecido foram produzidas por um gravador (uma cabeça de gravação fonográfica) em contacto com a superficie do tecido com a sua ponta de contacto (agulha). Um cartucho fonográfico com uma agulha foi usado como receptor. Foram efectuadas medições na gama de frequências de 200-1000 Hz. 0 gravador foi excitado pelo gerador de som de ruidó branco; as frequências caracteristicas foram avaliadas por meio dum analizador de espectro. Os parâmetros medidos foram a velocidade de propagação das ondas

de corte e a sua atenuação. ( ctjegaram à conclusão de que, na gama de baixa frequência investigada pelo referido método, as ondas mecânicas excitadas no tecido são de carácter de corte e estão localizadas sómente na camada superficial do tecido, isto é, na pele, e por causa disso só nesta gama é possível providenciar a medição selectiva da elasticidade da pele, ao passo que, a frequência mais altas, a medição é mais dificil por causa da pequena profundidade de penetração das ondas de superfície. Esta conclusão é discutível. Uma vez que a velocidade das ondas de corte em tecidos macios pode ser de 5 a 50 m/s, o comprimento de onda na gama de frequência de cerca de 1 kHz seria de cerca de 5 a 50 mm. Dado que a profundidade de penetração das ondas de superfície não pode &er muito menos do que um comprimento de onda, os elementos de estrutura subcutânea e nalguns casos o tecido ósseo podem afectar a propagação das ondas dessa gama; portanto a selectividade do método, no que se refere a medição na pele, parece um tanto duvidosa.

Os autores do referido método (R.O. Rotts e outros) não levam em linha de conta uma peculiaridade das ondas de superficie tal como a dependência da velocidade e atenuação duma onda de superficie da direcção de propagação relativa ao vector de deslocamento duma oscilação tangencial excitada pelo transmissor na superficie do tecido. Também não foi mencionada a anisotropia, que é a característica importante da elasticidade ao corte nos tecidos biológicos (em particular na pele).

A estrutura de tecidos está sujeita a certas alterações numa larga gama de situações clinicas. As alterações estruturais estão estreitamente relacionadas com a alteração nas propriedades viscoelásticas dos tecidos. As propriedades elásticas de volume não são particularmente sensíveis à estrutura e sua anisotropia, comparadas com as propriedades ao corte, portanto o ensaio das propriedades ao cor te mostrará ser de maior valor para a medicina e diagnóstico

clinico. O que é preciso, portanto, é unrm&fcbçlo’’para ensaio não-invasivo e altamente sensível das propriedades ao corte dum tecido ao longo da direcção escolhida.

Descrição da Realização Preferida

A Fig. 1 é uma ilustração do principio do método,

A Fig, 2 é uma vista êm secção transversal da sonda (a) e da unidade para estandardizar a força com que a sonda é aplicada ao tecido (b)*

A Fig. 3 mostra a disposição dos transdutores com as suas pontas de contacto. A Fíg. 4 é a dos diagramas.de blocos dos circuitos.

A Fig. 5 é o diagrama de relógio do ciclo de medição básico.

A ideia geral do método é a seguinte: os piezotransdutores bimorfos flexionais de transmissão e recepção , tendo as pontas de contacto nas suas extremidades, são trazidos a contacto mecânico com a matéria a ser investigada. O fornecimento dum impulso eléctrico ao transmissor excita uma oscilação tangencial amortecida na matéria próxima da ponta de contacto do transmissor, com uma frequência na gama de 0,5 a 30 kHz, dependendo da construção do transdutor e das propriedades da matéria. A oscilação mecânica que se propaga excita um sinal eléctrico no receptor. A velocidade de propagação é determinada medindo o tempo requerido para um impulso de deformação tangencial percorrer a distância entre o transmissor e o receptor. A velocidade e atenuação duma onda de corte depende do ângulo entre a direcção de propagação e o vector de deslocamento das oscilações tangenciais excitadas pelo transmissor. A onda que se propaga ao longo do vector de deslocamento tem a velocidade máxima

' '' — -7 e a atenuação mínima. Esta é a razão 'par^í^g Colocar o trans missor e o receptor como se mostra na Fig. I, onde (1) e (2) são os piezotransdutores bimorfos flexionais de transmissão e recepção. 0 vector de deslocamento em ambos os transdutores cioncide com a linha que liga as pontas de contacto A e

B.

Na realização preferida, o dispositivo para medir a velocidade compreende uma sonda com um piezotransdutor de transmissão e dois piezotransdutores de recepção, estando os transdutores de recepção colocados simetricamente em relação ao transmissor, como mostrado nas Figs.

2a e 3. A utilização de dois receptores em vez de um único toma em consideração a amplificação diferencial dos sinais acústicos recebidos; isto é importante porque o sinal sentido pelo receptor é pequeno.

Os três pieaotransdutores 1, 2, 3 com as pontas de contacto 4,5,6 são montados na sonda como mostrado nas Figs. 3 e 2a, por meio das linhas de retardo acústico 7 e 8 em forma de hastes metálicas ocas de parede fina. 0 comprimento das hastes é suficientemente grande para retardar o sinal acústico que passa do transmissor para o receptor, através do corpo da sonda, para um tempo várias vezes maior do gue o tempo de propagação nos meios em vista. Os transdutores 1, 2 e 3 são fixados nas hastes 7 e 8 por meio de juntas elásticas cheias, sendo colocadas todos juntos no interior da caixa de protecção 12, que serve ao mesmo tempo como sensor de pressão para estandardizar a força com que a sonda é aplicada à matéria. A caixa 12 acciona o interruptor de três estados (Fig. 2b) compreendendo o contacto de agulha 13, a mola 14, o contacto tubular imóvel 15 fixado, através de junta plástica isoladora, na base 9, a placa de contacto móvel 16, normalmente comprimida contra o contacto 15 pela mola 17 separada por uma placa isoladora.

referido interruptor está normalmente ί

aberto. Durante a operação, só pode ser' íigàdp-'ήο caso era que a força que comprime a mola 14, isto é, a força com que a sonda é aplicada à matéria, é suficientemente grande para fazer a agulha 13 tocar na placa 16 mas ainda não é tão grande que interrompa o contacto entre a placa 16 e o contacto tubular 15. De acordo com o acima referido, o limite inferior da força é determinado pela mola 14, que é ajustada deslocando a base 9 dentro da caixa exterior 10 , enquanto o limite superior é ajustado pela mola 17, que é comprimida pelo parafuso 18. A escala de força admitida pode fazer-se quase tão pequena como a histerese de atrito dentro da unidade de contacto. Tem, no entanto, de ser suficientemente grande de modo a ser fácilmente controlada à mão.

A caixa 12 e os transdutores são dispostos de modo que, na escala de força admitida, as pontas de contacto 4, e e 6 ocupem uma posição fixa próxima do plano da borda de trabalho da sonda.

O referido interruptor possibilita o funcionamento do bloco electrónico (ver Fig. 4a), que compreende o amplificador diferencial de entrada 19, o limitador 20, o biestável (tipo 74121) 24, o flip-flop 23· o gerador de impulsos 21, a unidade de retardo 22, a unidade processadora 25 e a unidade indicadora 25. O gerador de impulsos 21 fornece os impulsos que excitam a deformação flexionai no piezotransdutor de transmissão’ uma pausa de 30 ms entre os impulsos compreende o ciclo de medição elementar (ver Fig. 5). Quando todas as pontas da sonda são postas em contacto com a matéria, os dois sinais eléctricos de contrafase induzidos nos receptores são sentidos nas entradas do amplificador diferencial 19. Ao mesmo tempo, o impulso proveniente do gerador 21, via unidade de retardo de calibração 22, posiciona o flip-flop 23, que dá porta à contagem na unidade processadora 25. A saida do amplificador 19 é limitada pelo limitador 20 de modo a formar os impulsos com bordos abruptos, como mostrado na Fig. 5. O bordo inicial do primeiro impulso corres7/ ί

10·

-ponde à frente da onda acústica que e primeiro(detectada pelo receptor (acontecimento M na Fig. 5), e o bordo final corresponde à primeira passagem da onda pelo nivel zero (não excitado) (acontecimento N). Dado que a frente duma onda acústica é muito suave e dificil de ser detectada com bastante confiança, o acontecimento N é de preferência usado para medir o tempo-de-voo do impulso acústico entre o transmissor e o receptor. O bordo final do impulso U20, associado com esse acontecimento, rearma o flip-flop 23, via biestável 24, desactivando assim a contagem na unidade processadora 25.

A unidade processadora 25 efectua o cálculo da média das várias medições de tempo-de-voo de impulsos acústicos e a conversão do tempo médio em velocidade de impulsos. Consiste num divisor de frequência 28 controlado por porta, através do engate È 27, pelo contador de amostras 31, conversor tempo/velocidade 29, gerador de relógio 30, contador 36, biestáveis 32 e 35 e elemento Não 33. A possível implementação da unidade conversora 29 é mostrada na Fig, 4c.

divisor de frequência 28 juntamente com o contador 37 acumulam o número total de impulsos de relógio durante vários períodos de amostragem; o contador 28 divide esse numero pelo numero de amostras. O ciclo do contador 31 é duas vezes o numero de amostras; durante a primeira metade de ciclo, a sua saida é ALTA, possibilitando assim (via engate 27) a amostragem nos contadores 28 e 37. Quando a saida de 31 se torna BAIXA, a amostragem pára com ovalor médio do tempo a ser armazenado em 37. As mesmo tempo, a saída do inversor 33 torna-se ALTA; permitindo assim a contagem no contador intermédio 36 por um certo período medido pelo temporizador 34. 0 contador 36 conta a saída do contador subtraidor preajustável 38 que funciona permanentemente carregando o valor proveniente de 37 cada vez que a sua contagem desce a zero, fornecendo assim os impulsos com a frequência a ser o valor inverso do valor do tempo armazenado em

37. © temporizador 34 dá porta a esses impulsos para o contador 36; é ajustável para, juntamente com a unidade de retardo ajustável 22, proporcionar o meio para calibrar a velocidade dos impulsos. 0 valor de velocidade acumulado em 36 é apresentado pela unidade indicadora 26. No fim do ciclo de amostragem/indicação, a saída de 31 passa novamente a ALTA, rearmando assim, via biestáveis 32 e 35, os contadores 28,

37, 36 e actiando a amostragem via engate 27.

De acordo Com a presente invenção, foi feita o protótipo para demonstrar as possibilidades do método propeto, em diferentes experiências. Na Tabela 1, pode-se ver como a velocidade da onda superficial pode variar sobre a pele dum corpo humano.

Tabela 1, Velocidade de onda de corte, m/s

Testa	Face	Peito	Ponta do dedo	Canela
28 + 5	20+3	21 ± 5	60 + 10	35 + 8

Outro exemplo é a medição da elasticidade da pele humana antes e depois da criomassagem. Num grupo de mulheres escolhido por um cosmetologista como tendo pele especificamente fina nas faces, a velocidade de onda superficial medida antes da criomassagem foi da ordem de 20,2 m/s. Imediatamente após a criomassagem a velocidade foi da ordem de 60 m/s; voltou ao valor inicial em cerca de 10 minutos.

O grau de relaxamento da elasticidade de pele depois da criomassagem mostrou-se ser especifico para o particular tipo de pele.

Mais um exemplo é o estudo de elasticidade ao corte, de músculo durante a contracção. No músculo de rã isolado, em repouso, a velocidade de propagação da onda de

cidade da onda de corte no mesmo tecido biológico muitas vezes excede 100 por cento, ao passo gue no caso de ondas elásticas de volume a alteração é medida em alguns por cento.

Pode-se ver que a preservfce invenção proporciona o meio para ensaiar os tecidos, altamente sensível tanto ao tipo de tecido como ao seu estado fisiológico, o que ser extremamente valioso em diagnóstico médico, por ex., em diagnosticar a patologia da pele ou na diferenciação de tecidos normais e patológicos enquanto se processam operações cirúrgicas *

As experiências também mostraram que algumas características da realização preferida provam ser vantajosas e.até necessárias. Particularmente, deve-se mencionar que, devido a razões várias, a força com que a sonda é aplicada a um tecido causa impacto no estado mecânico do tecido e afecta fortemente os resultados da medição. A caracteristica proposta de limitar a força torna este erro quase constante e permite que o mesmo seja levado em conta durante a calibração.

A outra caracteristica importante é o uso de dois receptores em vez de um único. Além do facto de aumentar a sensibilidade, é feita essa utilização para reduzir o erro que pode ocorrer durante a aplicação manual da son da devido a deslocações ocasionais na posição relativa do transdutor de transmissão e dos dois transdutores de recepção dado que, como é de considerar, as hastes que são portadoras dos transdutores servem ao mesmo tempo de linhas de retardo acústico e têm portanto de ser essêncialmente flexíveis. O erro máximo ocorre quando o transmissor se desloca para um dos receptores, neste caso, o sinal vem para esse receptor um pouco mais cedo do que se espera, e o mesmo sinal vem para o outro receptor correspondentemente mais tarde. A recepção dos sinais é detectada pela sua primeira passagem pelo zero;

desde que a deslocação seja pequena, o zero da soma do sinal atrasado com o sinal que vem adiantado só levemente difere do esperado. Este desvio pode ser aproximadamente estimado do seguinte modo:

-13A sin (ot+f) = Α_χ sin (ut+v<) + A. sin (wt-φ) (4) onde:

A é a amplitude do sinal resultante; A. e A_o são as amplitudes sinais nos receptores; é o desfasamento do sinal, re sultante , que ocorre devido à posição não-simétrica das pontas de contacto de recepção, são os desfasamentos dos sinais somados.

Podemos recrever a equação (4) do seguinte modo:

A sin(wt+$) = A^sin |«t+arctg (--—

AjíÃ’’ I

15)

No pequeno âmbito de deslocamento do transmissor em relação à posição de centro entre os receptores, a amplitude do sinal recebido pode ser, considerada como uma função linear da distância e, portanto, podemos rescrever a equação (5) como:

sin (ot+Ψ) * sin |ot + arc tg (^-tg (⁵) I o (6,

14em que: R_q é metade da distância entrèuáâ-Mpdfitas de contacto dos piezotransdutores de recepção, R = L - R_q é o deslocamento do transmissor relativamente às pontas de contacto dos receptores.

Supondo que f= 5 kHz, R_q = 3 mm, o - 40 m seg-1: Z\ R =0,3 mm, ende f é a frequência de trabalho e c é um valor médio da velocidade de ondas superficiais na pele humana.

Tomando em consideração os referidos parâmetros (6), pode-se rescerver a equação (6) çomo segue:

sin (ωί+Ψ)^ sin (ot + φ) R

Bode-se ver que, utilizando dois pietaotransdutores de recepção em vez de um, o erro que ocorre devido a mudanças da distância entre pontas de contacto dos piezotransdutores de transmissão e de recepção é diminuido aproximadamente (^- ) vezes, isto é, para os parâmetros acima indicados o erro para dispositivo com receptor duplo é dez vezes maior do que para a versão do dispositivo com um só receptor.

Mais uma vantagem da realização preferida é que a sonda pode ser aplicada a uma superficie de tecido em todo o corpo sem a apertar entre os transdutores ou a fixar de qualquer outro modo.

Claims

lâ. - Método para ensaio acústico não-invasivo da elasticidade de tecidos biológicos macios por transmissão e recepção de ondas acústicas, earacterizado pelo facto de compreender os passos de:

aplicar à superficie do tecido em ensaio uma sonda gue consiste em piezotransdutores flexionais transmissores e receptores espaçados;

excitar um impulso de· deformação tangencial na superficie dum tecido;

detectar a onda superficial que se propaga no tecido, do transmissor aos receptores;

determinar o tempo decorrido entre a emissão e a recepção do impulso acústico que se desloca através da superficie do tecido;

converter o valor do tempo decorrido no valor da velocidade de onda superficial.
2ã. - Método de acordo com a reivindicação 1, earacterizado pelo facto da referida detecção e processamento do sinal recebido ser permitida somente dentro da escala de força escolhida com que a referida sonda é aplicada ao tecido a ser investigado.
3â. - Método de acordo com a reivindicação 1, earacterizado pelo facto da referida determinação do tempo entre a emissão e a recepção do impulso acústico ter inicio no momento em que o deslocamento tangencial do tecido em contacto com o transmissor volta primeiro ao seu nível zero (não excitado) e parar no momento em que o sinal induzido no receptor volta primeiro a zero.
4ã. - Dispositivo para ensaio acústico uma sonda com piezotransdutores bimorfos flexionais, um transmissor e dois receptores, equipados com as pontas de contacto e montados, por meio de hastes alongadas que servem de linhas de retardo, no corpo da sonda, de modo que os vectores de deslocamento duma oscilação flexionai no transdutor de transmissão e nos dois transdutores de recepção tenham a mesma direcção que coincide com a linha que liga as referidas pontas de contado, e com uma unidade para estandardizar a força com que os piezotransdutores são aplicados ao tecido a ser ensaiado; meio de circuitos ligado aos referidos transdutores e unidade de estandardização de pressão, para determinar o tempo-de-voo dos impulsos acústicos que passam através do tecido, do transmissor para os receptores , que é indicativo da elasticidade do referido tecido.
5ã. - Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto das pontas de contacto dos transdutores de recepção estarem rigidamente ligadas.
6S. - Dispositivo de acordo com as reivindicações 4 e 5, caracterizado pelo facto da referida unidade de estandardização de pressão incluir uma caixa oca que é a peça da referida sonda que cobre os transdutores, co m a abertura na sua borda externa através da qual se faz o acesso ao tecido em ensaio pelos referidos transdutores, uma mola que suporta a caixa, e um interruptor eléctrico de três estados accíonados pela caixa, compreendendo um contacto imóvel fixado ao corpo da referida sonda e dois contactos móveis, sendo um deles montado na caixa e sendo o outro mantido em contacto com o contacto imóvel fixado ao corpo da referida sonda por meio da outra mola; desde que a força aplicada à borda externa da referida caixa esteja dentro da escala admitida, a mola que suporta a caixa é suficientemente comprimida para pôr o contacto móvel montado na caixa em contacto com o outro contacto móvel mantido em contacto com o contacto imóvel por meio de mola, a qual é ajustada de modo a interromper o circuito entre o segundo contacto móvel e o contacto imóvel se a força exceder o seu limite superior; quando a força está fora do seu limite inferior, a mola que suporta a caixa não é suficientemente comprimida para permitir que o contacto móvel ligado à caixa atingia o outro, contacto móvel; no interruptor descrito, o curto circuito indica que a força que actua sobre a borda externa da sonda está dentro da escala admitida.
7ã. - Dispositivo de acordo com as rei vindicações 4 e 5, caracterizado pelo facto do referido meio de circuitos incluir o meio para converter o tempo decorrido entre a emissão e a recepção de impulsos acústicos em velocidade de impulsos, e o meio de indicação visual para indicar o valor de velocidade.