Dipartimento di Fisica a.a. 2004/2005 Fisica Medica 2 Ultrasuoni 7/3/2005

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Aloisia Milani
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1 Dipartimento di Fisica a.a. 2004/2005 Fisica Medica 2 Ultrasuoni 7/3/2005

2 Produzione di onde sonore Pistone che oscilla con frequenza ν [s -1 ] ν v produce variazioni di densità e di pressione v che si propagano con velocità v

3 Onde nei materiali z = A sen(2π/t) t = A sen(2πν) t T nei gas/liquidi: onde longitudinali nei solidi: onde longitudinali e trasversali infrasuoni udibile ultrasuoni ν (Hz)

4 Velocità dell onda Velocità del fronte d onda v = λ/t = λν Funzione della temperatura e della densità velocità maggiore in tessuti più densi

5 Velocità del suono v = v(t) T = temperatura 0 C aria v suono = v US = 330 m/s 10 C acqua v = 1440 m/s 10 C ferro v longitudinale = 5600 m/s v trasverale 20 C aria v suono = 344 m/s = 3000 m/s nel corpo umano v~ 1500 m/s compresa tra 1440 e 1540 m/s

6 Ultrasuoni Non percepibili dall orecchio umano (> Hz) cane: fino a Hz pipistrello: fino a 10 5 Hz farfalla: fino a Hz Sorgente di ultrasuoni effetto piezoelettrico Cristallo al quarzo sottoposto a c.a. di frequenza ν comincia a vibrare alla stessa ν periodo T c.a. = T cristallo frequenza molto elevata c.a.

7 Rivelazione di ultrasuoni Cristalli piezoelettrici sottoposti a vibrazioni meccaniche ultrasonore generano un campo elettrico alternato quindi una d.d.p. alla stessa frequenza Intensità da 1 W/m 2 fino a 10 4 W/m 2 con ultrasuoni di 10 6 Hz (1 MHz) pressione di circa 5.5 atm tra due punti a distanza λ In acqua v = 1440 m/s, ν = 10 6 Hz λ = m pressione istantanea di 11 atmosfere!

8 Riscaldamento Gradiente di pressione provoca accelerazione delle particelle del mezzo p = (2 I v ρ) Acqua: ρ = 1000 kg/m 3, v = 1450 m/s, ν = 10 6 Hz, I = 10 4 W/m 2 p = ( ) = ( ) [Pa] λ = v/ν = 1450/10 6 = m = 1.45 mm accelerazione dell oscillazione dipende ampiezza a = ω 2 A = ω p/ (vρ) = m/s g!!!

9 Effetto nei materiali Due liquidi non miscibili sovrapposti notevole azione meccanica: emulsione Fenomeno di cavitazione lacerazioni dovute alla p in regioni vicine Accentuata da gas disperso nel liquido liberazione del gas con formazione di bollicine In solidi (dispersi nel liquido) rottura grosse molecole (membrana cellula) Implosione improvvisa disperde impurezza Limiti utilizzo W/m 2 (chirurgia W/m 2 )

10 Distruzione membrana prima Cellule di lievito dopo trattamento con ultrasuoni

11 Assorbimento intensità I(x) = I 0 e - α x distanza (cm) α = ν/(ρv 3 ) coefficiente di assorbimento

12 Misura di attenuazione Ripartizione tra energia trasmessa, assorbita e riflessa T = I T /I 0 A = I A /I 0 R = I R /I 0 Rapporto tra due intensità acustiche (decibel) db = 10 log (I 1 /I 0 ) intensità attenuata di 10 volte (10 db) intensità attenuata di 100 volte (20 db) scala non lineare!

13 Assorbimento del tessuto misurato in db/(cm MHz) cresce al crescere della frequenza sangue 0.18 muscolo grasso 0.63 osso 20 fegato 1.00 polmone 41 Effetti degli ultrasuoni termici di cavitazione meccanici ~10-4 C/s oltre 100 MHz trascurabili

14 Utilizzo in medicina Localizzata all interno dei tessuti (nevralgie, artrosi, lombaggini, reumatismi) azione diretta meccanica e termica Azione frantumatrice delle onde meccaniche litotriturazione dei calcoli biliari con onde d urto odontoiatria: ultrasuoni per eliminare il tartaro devitalizzazione nervi dentali oculistica: interventi sulla cataratta (frantumazione cristallino ed asportazione) chirurgia vascolare: pulitura delle arterie

15 Ecografia Tecnica basata sulla riflessione da parte delle interfacce tra mezzi acustici diversi (tessuti) attraversati da un fascio ultrasonoro sorgente rivelatore interfacce t 1 t 2 tempo Assolutamente non invasiva (gestanti)

16 Fascio ecografico Diametro del fascio Frequenza di eccitazione Ripartizione tra energia trasmessa e riflessa tanti echi quante sono le discontinuità sorgente T 1 T 2 T 3 T 4 R 1 R 2 R 3 T i = I i / I 0 R = I R / I 0

17 Leggi ottica geometrica ( ) 2 R = ρ 1v 1 ρ 2 v 2 ρ 1 v 1 + ρ 2 v 2 muscolo stirato ρ 1 = 1026 kg/m 3 muscolo normale ρ 2 = 1068 kg/m 3 I R / I 0 = (42 / 2094) 2 = 10-4 valore piccolo ma misurabile! Perdita di energia al passaggio aria-tessuto tutto il suono è virtualmente riflesso grande variazione di intensità utilizzo gel per equalizzare la superficie contatto

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