ONDE MECCANICHE ELASTICHE in BIOLOGIA e MEDICINA
SUONI
Infrasuoni Ultrasuoni
20 Hz – 20 kHz
< 20 Hz > 20 kHz
Percepiti dall’uomo (acustica)
Non percepiti dall’uomo
Non percepiti dall’uomo Vibrazioni elastiche delle particelle di un mezzo materiale attorno ad una posizione di equilibrio :
il moto oscillatorio si propaga nel mezzo dando luogo a un’onda sonora.
CARATTERISTICHE
• velocità : dipende dal mezzo di propagazione (m/s)
• intensità (W/m2)
• sorgente che genera l’onda (bocca, strumento etc.)
• ricevitore (orecchio, cristallo…)
• FREQUENZA
Gli ULTRASUONI
Suoni percepibili dall’orecchio umano ULTRASUONI
ULTRASUONI
20 Hz – 20 kHz
> 20 kHz
Frequenza (f)
CARATTERISTICHE
• Prodotti da cristalli piezoelettrici:
Per generare ultrasuoni:
sottoposti a tensione alternata vibrano con
frequenza pari a quella della tensione che li ha generati, producendo l’onda ultrasonora
Per ricevere ultrasuoni:
sottoposti alla vibrazione del raggio ultrasonoro generano una tensione alternata che viene rilevata
• Alta direzionalità: RAGGI ULTRASONORI f = 1 GHz = 0,3 m
v (aria) = 340 m/s
APPLICAZIONI degli Ultrasuoni
In Medicina
• Utilizzazione localizzata : effetto meccanico e termico
(cura di nevralgie, artrosi, lombaggini, reumatismi)
• Litotritore
(eliminazione di calcoli attraverso onde pulsate)
•Odontoiatria e Oculistica
(devitalizzazioni, cataratta)
•Chirurgia Vascolare
(rimozione placca arteriosclerotica)
In Diagnostica
• Ecografia
• Ecodoppler
ECOGRAFIA
Tecnica diagnostica di ricostruzione dell’immagine di una struttura anatomica basata sulla riflessione di un raggio ultrasonoro attraverso le diverse interfacce del mezzo.
Principio fisico di funzionamento
2 l
1= v t
1e 2 l
2= vt
2 = l
2– l
1= v/2(t
2– t
1)
1. Sorgente (a contatto della superficie): emette il segnale all’istante t
0= 0
2. Ricevitore : registra l’eco di ritorno del segnale t
1: segnale proveniente dall’interfaccia 1
t
2: segnale proveniente dall’interfaccia 2
Misurando t
1e t
2si ricava la distanza tra le
interfacce
Caratteristiche dell’ecografia:
sorgente e rivelatore spesso sono costituiti dallo stesso cristallo piezoelettrici
Per l’alta velocità del suono nei tessuti è possibile ottenere una buona ricezione senza interferenza con successiva emissione
TESSUTO DENSITA’ VELOCITA’
(g/cm3) (m/s)
Sangue 1.00 1560
Grasso 0.93 1470
Muscolo 1.06 1568
Osso cranico 1.85 3360
frequenza tipica : da 1 MHz a 15 MHz
onda emessa in modo pulsato impulsi di durata t : da 1 a 5 s Attenzione:
il t deve avere una durata tale da
permettere la ricezione del segnale di ritorno
ma non deve essere troppo lungo per evitare
fenomeni di dannoso riscaldamento dei tessuti
Parametri tecnici di un’ecografia
Caratterizzano la sorgente/ricevitore,
permettono di avere un’immagine ecografica più o meno dettagliata e precisa.
1. Risoluzione assiale
Misura la distanza minima tra due punti lungo l’asse del fascio. E’ la distanza al di sotto della quale non Si percepiscono più due punti come distinti.
La lunghezza d’onda del raggio ultrasonoro determina il limite teorico di risoluzione assiale.
Per esempio, supponendo un ultrasuono che si propaga nel sangue:
f = 1 MHz l = v/f = 1,5 mm
f = 15 MHz l = v/f = 0.1 mm
Anche la durata dell’impulso emesso limita la risoluzione
assiale: impulsi di durata lunga impediscono di rivelare due interfacce molto vincine
Minima risoluzione longitudinale
2. Risoluzione laterale
E’ la capacità di distinguere 2 oggetti che giacciono su una linea ortogonale all’asse di propagazione del fascio.
Dipendono dalla dimensione del fascio ultrasonoro: tanto più il fascio è collimato e stretto, tanto migliore è la
risoluzione laterale
L’ampiezza del fascio dipende da: frequenza e diametro del cristallo.
3. Intensità del fascio
L’intensità di un raggio sonoro decresce
costantemente attraverso i tessuti a causa di:
Divergenza del fascio
Riflessione
Rifrazione
Assorbimento
aumenta con la frequenza e dipende dalla densità del tessuto (Es. l’osso assorbe 10 volte in più rispetto ai liquidi: la vescica
rappresenta quindi una “finestra” sugli organi circostanti perché attenua poco).
Bisogna scegliere un’adeguata frequenza:
sufficientemente alta per avere una buona riflessione e non provocare danni ai tessuti.
4. Intensità del fascio
I fasci riflessi o rifratti non arrivano al ricevitore e vengono persi.
Fasci pulsati
Diminuiscono l’intensità totale trasmessa
ECOGRAFIA A SCANSIONE
E’ una tecnica che migliora la risoluzione laterale:
consiste nell’utilizzare una sorgente costituita da più cristalli.
I singoli cristalli emettono il segnale in tempi differenti in modo da collimarlo su un punto preciso (Principio di
Huygens). Si possono cosi ottenere risoluzioni laterali inferiori a 1 mm.
Con la stessa tecnica si possono ottenere fronti d’onda
inclinati a differenti angoli.
Esempi di ecografia a scansione
OSSERVAZIONI:
1. La presenza di zone d’aria poste sul cammino del fascio provoca considerevoli disturbi. Poiché
v (in aria) < v (mezzo biologico) non si ha una buona riflessione
2. Le ossa assorbono molto il fascio e creano zone d’ombra
Elaborazione elettronica del segnale
I segnali ecografici, dopo aver attraversato i diversi tessuti ed essere stati riflessi dalle diverse interfacce, giungono al
ricevitore e vengono elaborati ELETTRONICAMENTE.
1. Compensazione nel guadagno temporale
Permette di studiare le interfacce indipendentemente dall’attenuazione sonora
2. Amplificazione
Aumenta l’intensità dei segnali ricevuti, rendendo possibile la discriminazione dal fondo.
• Eliminazione del rumore di fondo
Causato dalla catena di amplificazione. E’ necessario distinguerlo dal segnale vero e proprio
IL LITOTRITORE
E’ una sorgente di onde meccaniche di elevata intensità.
Attraverso un opportuno mezzo di propagazione e una corretta focalizzazione è possibile frantumare i calcoli renali: il fascio ultrasonoro è collimato sul calcolo da eliminare.
Principio fisico di funzionamento
Sorgente di ultrasuoni Calcolo
Come avviene la frantumazione del calcolo:
A: l’onda d’urto passa dal tessuto al calcolo e lo frantuma a causa della parziale riflessione.
B: le onde di pressione proseguono fino alla superficie opposta e sono parzialmente riflesse.
CARATTERISTICHE TECNICHE DEL LITOTRITORE
• Onda d’urto generata da un elettrodo posto in acqua: la scarica elettrica prodotta vaporizza il fluido circostante che si diffonde per superfici di onde sferiche.
• Impulso di breve durata: 1 s (approssimazione di raggio direzionale): 500-1500 impulsi per 30-80 min
• Pressione d’urto elevata ma non dannosa per i tessuti.
Limiti di applicabilità:
calcoli troppo piccoli per essere localizzati o troppo grossi.
• Elettrodo posto in acqua per evitare pericolose riflessioni:
stesso mezzo tra sorgente e paziente
• Paziente in anestesia peridurale monitorato in ECG
ECODOPPLER e COLORDOPPLER
Tecnica di indagine diagnostica non invasiva che permette di indagare le caratteristiche morfologiche e funzionali di un vaso sanguigno (velocità del flusso, portata) utilizzando un fascio ultrasonoro
Principio fisico di funzionamento
Effetto Doppler + Alta direzionalità del raggio ultrasonoro
Vaso sanguigno
globulo rosso
u
sorgente
Ricevente
v = velocità ultrasuono u = velocità globulo rosso f
s= frequenza sorgente
f
g= frequenza sul globulo rosso
f
r= frequenza ricevuta
Vaso sanguigno
