Elementi di fisica degli ultrasuoni, effetto

Spedali Civili
di Brescia
Università degli
Studi di Brescia
12 Novembre 2010
La Neurosonologia nell’ambito
delle Neuroscienze
Fagoni Nazzareno
SSDV Neuroanestesia e Neurorianimazione
Lazzaro Spallanzani 1794
Pipistrelli e Cetacei
Emissione di ultrasuoni
e successiva rilevazione
di echi
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Applicazioni militari
degli ultrasuoni
Il SONAR
SOund Navigation
And Ranging
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Ultrasuoni: utilizzati nella Diagnostica per Immagini
dagli anni ’50
Inizialmente utilizzati per scopi terapeutici,
sfruttando il loro effetto termico e distruttivo
Frequenza nelle applicazioni diagnostiche si
utilizzano US con frequenze tra 1 MHz e 20 MHz
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Suono: fenomeno ondulatorio
Forma di energia che si propaga per onde
Un’onda è un’oscillazione caratterizzata da
LUNGHEZZA AMPIEZZA FREQUENZA
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Onde sonore ad altissima frequenza
Percezione orecchio umano 20-20.000 Hz
Ultrasuoni >20.000 Hz
Infrasuoni <20 Hz
Molti animali possono udire suoni con frequenza fino a 100.000 Hz
Frequenza voce maschile 100 Hz e femminile 200 Hz
Frequenza nota «LA» del diapason 440 Hz
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Sonda formata da cristalli piezolettrici: vibrano
quando sottoposti a tensione elettrica
(fratelli Pierre e Jacques Curie - 1880)
I cristalli posti in un campo elettrico si
deformano per l’orientamento delle cariche delle
molecole a 90°. Cessata la tensione elettrica i
cristalli riprendono rapidamente la forma iniziale
Questo repentino ritorno elastico fa entrare in
risonanza i cristalli, determinando una piccola
serie di vibrazioni che generano gli ultrasuoni
Il fenomeno può avvenire in ambedue le direzioni
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La velocità di propagazione dipende dalla densità
e dalle proprietà elastiche del mezzo
Le onde sonore si propagano meglio e più velocemente
nei liquidi che nell’aria
L’impedenza è la resistenza opposta dal mezzo al passaggio;
l’unità di misura è il Rayl
Z=ρ c
Z = impedenza acustica
ρ = densità (g/cm3)
c = velocità del suono nel mezzo
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Durante l’attraversamento l’ultrasuono viene progressivamente attenuato per:
 Riflessione
 Trasmissione
 Rifrazione
La riflessione avviene con un angolo che sarà equivalente a quello incidente
dell’ultrasuono
Gli ultrasuoni residui o non riflessi proseguiranno il loro percorso nei tessuti con
un’intensità ridotta (trasmissione) e con angolo leggermente modificato (rifrazione)
L'attenuazione del fascio ultrasonoro avviene secondo la relazione: 1dB/cm/MHz
L’attenuazione aumenta all'aumentare del percorso e all'aumentare della frequenza
Quindi più è alta la frequenza più è superficiale il campo di vista e viceversa
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i
r
Onda Incidente
Onda Riflessa
Onda Trasmessa e/o Rifratta
Onda Diffusa o Scattering
t
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La sonda trasmette “pacchetti” di ultrasuoni (di solito, 2 o 3 cicli) per l’1% del
tempo (circa 1-2 milionesimi di secondo); per il restante 99% (100-200
milionesimi di secondo), la sonda resta in ascolto degli echi di ritorno
gli echi provenienti da strutture distali saranno meno intensi che vengono
amplificati rispetto a quelli più vicini (T.G.C. Time Gain Compensation)
nei liquidi e nei tessuti molli in 10-7 di secondo percorrono circa 1,5 cm
Gli echi prodotti possono essere visualizzati con diverse modalità.
• A-mode (Amplitude mode)
• B-mode (Brightness mode)
• M-mode o TM-mode (Motion o Time Motion mode)
• Doppler
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L’A-mode
(amplitude=ampiezza) è la
prima modalità di
visualizzazione di un eco
(SONAR)
E’ la modalità monodimensionale:
l’eco è rappresentato con dei picchi
L’ampiezza dei picchi è proporzionale all’intensità dell’eco,
mentre la profondità è proporzionale alla distanza delle
interfacce che hanno generato l’eco
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Anche nella modalità B (brightness =
luminosità) la visualizzazione è
monodimensionale
gli echi vengono rappresentati in sequenza
lungo una linea a seconda della loro distanza
dalla sorgente
Intensità presentata in scala di grigi: il bianco
corrisponde al massimo dell’intensità mentre il
nero all’assenza di echi
È la modalità di visualizzazione degli echi più
utilizzata in ecografia
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Il formato M-mode non è altro che un B-mode ripetuto ad
intervalli di tempo sufficientemente brevi per riprodurre il
movimento dell’interfaccia
Ivus Aorta
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Christian Johann Doppler
(1803-1853)
L’effetto Doppler consiste nella
variazione di frequenza di una
sorgente sonora in moto rispetto ad
un osservatore fermo
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Se la sorgente sonora si avvicina all’orecchio dell’ascoltatore le
onde si infittiscono, divenendo perciò più corte; e se le onde
sono corte, la loro frequenza è elevata e il suono risulta acuto
Nel caso di un allontanamento della sorgente sonora le onde
si distendono, la frequenza è bassa e il tono si manifesta con
un timbro più grave
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Doppler shift (variazione di
frequenza): un'onda riflessa su un
oggetto in movimento cambia la
propria frequenza in funzione della
velocità dell'oggetto che viene
calcolata dal computer
La velocità è presentata a monitor
a colori (in avvicinamento rosso e in
allontanamento blu); l'intensità del
colore è legata alla frequenza
dell'onda di ritorno
Il sistema fornisce anche un
segnale udibile virtuale (non è
reale)
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ᐃF = V (2F0/C) cos Θ
F0 = Frequenza onda incidente
C = Velocità di propagazione del suono
V = Velocità di bersaglio
Θ = Angolo di incidenza del fascio ultrasonoro con il bersaglio
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Tanto più piccolo è l’angolo di incidenza tanto migliore è la misurazione della velocità
<30°=90-100%
La corretta velocità di flusso dipende dall’operatore
che sceglie l’angolo di insonazione
L’equazione doppler è derivata dalla condizione
ideale in cui un singolo oggetto si muove.
Se molti oggetti (eritrociti) si muovono a velocità
diverse si ottiene uno spettro di velocità
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La tecnica velocimetrica si avvale dell’uso di sonde a emissione
continua o pulsata di ultrasuoni
L’onda riflessa è caratterizzata da un picco sistolico, una
frequenza diastolica e una frequenza media che dipendono da:
•
•
•
•
velocità del flusso ematico
angolo di incidenza del fascio
ultrasonoro
valore medio della frequenza di
emissione
velocità degli ultrasuoni nei tessuti
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Trasmettitore e ricevitore sono due trasduttori fisicamente separati. Le
informazioni Doppler vengono ricevute continuamente da tutto il campo di
messa a fuoco della sonda
La profondità di insonazione dipende dal campo di messa a fuoco e dalla
geometria del trasduttore
Utile per studiare vasi extracranici e periferici
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Unico trasduttore che emette un burst ultrasonoro di breve durata e
attende l’eco. Il Doppler riceve informazioni solo da un campione di
volume alla profondità selezionata
E’ indispensabile avere un’esatta conoscenza della localizzazione del vaso
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Il Doppler transcranico è una procedura
diagnostica non invasiva di recente introduzione
(ideata e descritta nel 1982 da Aaslid)
Si avvale dell’uso di sonde pulsate a bassa
frequenza (1-2 MHz) e ad alta energia
…
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NON INVASIVO
RIPETIBILE
FLUSSO IN TEMPO REALE
DATI NUMERICI CONFRONTABILI NEL TEMPO
OPERATORE DIPENDENTE
POCO COSTOSO
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La Neurosonologia nell’ambito
delle Neuroscienze
Fagoni Nazzareno
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l’impulso elettrico viene trasformato in
deformazione/vibrazione (energia
meccanica); se il cristallo viene investito
da ultrasuoni entra in risonanza e, quindi,
la deformazione/vibrazione che ne
consegue causa una perturbazione nel
suo campo elettro-magnetico generando
una piccola corrente elettrica.
Nella tecnica doppler a ultrasuoni un emettitore
invia periodicamente un breve impulso ultrasonico
e un ricevitore raccoglie continuamente l’eco che
ritorna da particelle presenti nel fluido lungo il
percorso del raggio ultrasonico. Campionando
l’eco che ritorna allo stesso istante dell’emissione
dell’impulso, si può misurare la deriva delle
posizioni di rifrazione. Grazie ad avanzate tecniche
DSP di elaborazione digitale del segnale, si calcola
il grado di correlazione tra le diverse emissioni per
estrarre il valore di velocità. Il vantaggio di questa
tecnica è la sua capacità di fornire informazioni
spaziali associate ai valori di velocità.
Quando avviene il fenomeno della riflessione?
La risposta, a prima vista ovvia, è che la riflessione dell'onda sonora avviene
quando essa incontra un ostacolo.
Tale affermazione è troppo semplicistica per due ordini di motivi:
•la presenza di un ostacolo non è di per sé condizione sufficiente a garantire l
presenza di un apprezzabile fenomeno di riflessione sonora.
ruolo fondamentale la dimensione relativa dell'ostacolo rispetto alla lunghezz
d'onda dell'onda sonora: il fenomeno della riflessione è significativo solo se la
dimensione dell'ostacolo è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda
sonora che incide su di esso.
Nella progettazione di ambienti aventi determinate caratteristiche acustiche
della massima importanza tener conto del fenomeno della riflessione (anche
multipla) che il suono subisce a causa della presenza delle pareti.
L'onda riflessa può originarsi anche in presenza di variazioni delle
caratteristiche fisiche del mezzo di propagazione dell'onda (riassunte nel
concetto di impedenza) senza che vi sia necessariamente la presenza di un
ostacolo, normalmente inteso.
Il fascio ultrasonoro, qualche diapositiva fa, lo abbiamo
descritto come un “pennello”. In effetti, i peli di questo
pennello tendono ad allargarsi poco dopo essere fuoriusciti
dalla sonda. Essi restano paralleli fra loro solo per un breve
tratto: il fascio resta coerente (cioè, con diametro pari a
quello del cristallo) fino ad una distanza che è
proporzionale al diametro del cristallo. Il tratto nel quale il
fascio è coerente viene detto “zona di Fresnel”; quello
successivo, “zona di Fraunhofher”. Il punto di passaggio tra
le due zone rappresenta la zona focale del fascio
ultrasonoro. La focalizzazione, nelle vecchie sonde di tipo
meccanico, era fissa. Nelle moderne sonde elettroniche, la
presenza di “lenti acustiche” permette di ottenere più di un
punto di focalizzazione a profondità variabili.
Consideriamo essenzialmente un generatore (trasmettitore) di onde,
un mezzo in cui le onde si propagano, ed un ricevitore.
Il sistema trasmettitore-mezzo-ricevitore è riferito ad un sistema di
riferimento inerziale
rispetto al quale il mezzo sarà considerato
in quiete, mentre trasmettitore e ricevitore sono in moto relativo
immaginiamo che il generatore emetta con continuità ad intervalli
regolari di tempo
brevissimi (infinitesimi) impulsi di onde. In
questo modo è come se considerassimo una sola cresta di onda
avanzare nel mezzo e possiamo così facilmente descrivere la
cinematica di questi impulsi.
l'effetto Doppler è utilizzato in molte applicazioni:
In medicina: per la rilevazione della velocità del flusso sanguigno.
Tale principio infatti è sfruttato dai Flussimetri Eco-Doppler (ADV,
ovvero Acoustic Doppler Velocimeter), nei quali una sorgente di onde
sonore, generalmente ultrasuoni, viene orientata opportunamente.
Queste onde acustiche vengono poi riflesse con una nuova
frequenza, a seconda della velocità vettoriale delle particelle
sanguigne, rilevata e rielaborata in modo da ottenere tale misura di
velocità.