ONDE MECCANICHE ELASTICHE
in BIOLOGIA e MEDICINA
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
Infrasuoni
< 20 Hz
Non percepiti
dall’uomo
SUONI
Ultrasuoni
20 Hz – 20 kHz
> 20 kHz
Percepiti dall’uomo
(acustica)
Non percepiti
dall’uomo
Gli ULTRASUONI
Frequenza (f)
Suoni percepibili
dall’orecchio umano
20 Hz – 20 kHz
ULTRASUONI
> 20 kHz
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
l = 0,3 mm
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
1.
2.
Sorgente (a contatto della superficie): emette il segnale
all’istante t0 = 0
Ricevitore : registra l’eco di ritorno del segnale
t1 : segnale proveniente dall’interfaccia 1
t2 : segnale proveniente dall’interfaccia 2
2 l1 = v t1
e
2 l2 = vt2
 = l2 – l1= v/2(t2 – t1)
Misurando t1 e t2 si 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’
(g/cm3)
VELOCITA’
(m/s)
Sangue
Grasso
Muscolo
Osso cranico
1.00
0.93
1.06
1.85
1560
1470
1568
3360
 frequenza tipica : da 1 MHz a 15 MHz
 onda emessa in modo pulsato
impulsi di durata Dt : da 1 a 5 ms
Attenzione:
il Dt 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
f = 15 MHz
l = v/f = 1,5 mm
l = v/f = 0.1 mm
Minima
risoluzione
longitudinale
Anche la durata dell’impulso emesso limita la risoluzione
assiale: impulsi di durata lunga impediscono di rivelare
due interfacce molto vincine
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.
Fasci pulsati
Diminuiscono l’intensità totale trasmessa
4. Intensità del fascio
I fasci riflessi o rifratti non arrivano al
ricevitore e vengono persi.
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
Calcolo
Sorgente di ultrasuoni
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 ms (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
sorgente
Ricevente
globulo rosso
u
q
Vaso sanguigno
v = velocità ultrasuono
u = velocità globulo rosso
fs = frequenza sorgente
fg = frequenza sul globulo rosso
fr = frequenza ricevuta
Sorgente
Ricevente
u
q
Vaso sanguigno
Dalle formule dell’effetto Doppler
fg = fs (1-u cosq/v)
fr = fg(v/v+u cosq)
fr = fs (1-u cosq/v)(v/v+u cosq)
Variazione di frequenza:
Df = fs – fr = 2u cosq/(v+u cosq)
Dal segnale ricevuto dai globuli rossi si misura
la variazione di frequenza e si risale alla velocità
CARATTERISTICHE DELL’ECODOPPLER
• Con opportuna scelta di fs la variazione di frequenza
può ricadere nella banda dell’udibile
Es:
fs = 1 MHz
v = 1500 m/s
u = 15 cm/s
Df = 200 Hz
• COLOR DOPPLER
Sono flussometri che riescono a discriminare il verso in
cui si muove il sangue, andando a studiare il segno della
variazione di frequenza (positivo o negativo a seconda
della direzione dei globuli rossi)
Attribuendo ad un colore le due diverse direzioni è
possibile avere una mappa a colori della vascolarizzazione
della regione esaminata (es. cordone ombelicale)
• ECODOPPLER PULSATO
Utilizzando una sorgente pulsata è possibile
distinguere da che punto in profondità del
vaso sanguigno proviene il segnale