ULTRASUONI L'apparato uditivo umano è in grado di percepire suoni di frequenza inferiore a circa a 20 khz; suoni di frequenza superiore vengono definiti ultrasuoni. Gli ultrasuoni possono invece essere percepiti, e anzi vengono usati per comunicare e orientarsi da alcuni animali, come delfini, pipistrelli, alcuni tipi di balene. Storicamente i primi studi sistematici sugli ultrasuoni avvennero prima della seconda guerra mondiale, in relazione alle applicazioni sottomarine del sonar (sound navigation and ranging), la tecnica basata sulla possibilità di individuare gli ostacoli sommersi attraverso l'osservazione degli echi di onde ultrasonore. A partire agli anni '50 venne le ricerche vennero estese all'applicazione ultrasuoni in campo medico e venne proposto l'utilizzo dell'effetto Doppler per lo studio del flusso sanguigno. Allo stato attuale, le possibilità applicative degli ultrasuoni spaziano in campi molto vasti e in continua espansione, in ambito sia medico sanitario sia industriale. Le applicazioni degli ultrasuoni cosiddetti a bassa potenza (con valori tipicamente compresi tra 1 e 200 mw) riguardano principalmente la diagnostica medica, le analisi non distruttive, la determinazione delle proprietà elastiche dei materiali. Le applicazioni degli ultrasuoni ad alta potenza (tra 1 e 20 W) riguardano invece la terapia medica e la chirurgia, la distruzione di cellule biologiche, la lavorazione dei materiali, la saldatura di metalli e di materie plastiche, le operazioni di lavaggio e pulitura. Le grandezze fondamentali che intervengono nella previsione dell'interazione degli ultrasuoni con il materiale in cui vengono trasmessi sono la frequenza, l'intensità o la potenza, e la velocità di propagazione del suono nel materiale stesso. Quest'ultima dipende essenzialmente dall'elasticità del materiale e dalla sua densità, ed è quindi legata alla massa delle molecole che lo costituiscono, alla loro distanza ed alle forze di interazione fra di esse. In un dato materiale ultrasuoni di frequenza diversa corrispondono a lunghezze d'onda diverse. Nel corso della sua propagazione, l'energia associata agli ultrasuoni viene parzialmente riflessa e/o diffusa (in inglese scattered, cioè riflessa in direzioni non legate geometricamente a quella di incidenza) in corrispondenza di eventuali discontinuità nel materiale che attraversa: sulla base delle caratteristiche dell'energia riflessa, cioè degli "echi", è possibile avere informazioni sulla presenza e sulle dimensioni delle discontinuità stesse. Analogamente, parte dell'energia viene assorbita dando origine a fenomeni di riscaldamento locale, e di cavitazione (la cavitazione è il fenomeno per cui l'irraggiamento di un liquido con un'onda ultrasonora porta alla formazione di bolle gassose, che vengono messe in oscillazione, causando possibili danni alla zona circostante).
1. APPLICAZIONI MEDICHE In medicina le applicazioni degli ultrasuoni possono essere suddivise in due categorie, formazione di immagini a scopo diagnostico e terapia. L'ecografia è esame ormai molto diffuso in tutti i settori della medicina, dall'ostetricia, in cui è diventato esame di routine, alla cardiologia, alla medicina interna. Lo scopo è di ottenere informazioni sui tessuti di interesse, senza danneggiarli. I limiti degli ultrasuoni sono rappresentati dalla rapida attenuazione, alle frequenze che vengono comunemente usate, tra 1 e 20 MHz (Megahertz, 1 MHz=10 6 Hz), sia nei gas, sia nelle ossa. Per questo motivo non è possibile applicare tecniche diagnostiche a ultrasuoni ad esempio ai polmoni, in quanto sono situati all'interno della gabbia toracica e pieni d'aria. La tecnica più comunemente utilizzata per le ecografie è il metodo denominato pulse-echo, il cui principio è simile a quello del radar. Un breve impulso acustico emesso dalla sorgente (il trasduttore) è riflesso dalla struttura dei tessuti all'interno del corpo. Il trasduttore, realizzato solitamente in materiale piezoelettrico (materiale cioè che è in grado di generare una tensione elettrica se sottoposto ad una sollecitazione meccanica) riceve l'impulso riflesso e lo converte in una tensione che può essere visualizzata su uno schermo. L'ampiezza dell'impulso ricevuto dipende dalle proprietà acustiche della struttura riflettente, mentre il ritardo tra la trasmissione e la ricezione fornisce informazioni sulla posizione della struttura. Spostando un fascio in diversi punti della zona di interesse si ottiene un'immagine bidimensionale nella scala dei grigi, in cui la luminosità indica la riflettività dei tessuti. Per convenzione le superfici ossee altamente riflettenti sono chiare, mentre i fluidi che non contengono riflettori sono scure. Oltre alle tecniche di pulse-echo, viene utilizzato l'effetto Doppler (effetto per cui se una sorgente si allontana da un osservatore, la frequenza emessa dalla sorgente nel punto di osservazione è più bassa, mentre se si avvicina è più alta) per studiare il flusso sanguigno. Gli spostamenti di frequenza forniscono informazioni sulla velocità del flusso e sulla sua direzione, che sono particolarmente utili in cardiologia e oncologia. Ecografia alla trentesima settimana di gravidanza (adattato da http://www. geddeskeepsake.com/ showcase.html) Ecografia dell'occhio che evidenzia un distacco di retina (adattato da http://www.drgdiaz.com/images/ eye-ret.shtml)
Gli usi terapeutici degli ultrasuoni riguardano: la possibilità di indurre un riscaldamento non distruttivo o altri effetti meccanici che stimolano o accelerano il normale recupero fisiologico in risposta ad una lesione. Rientrano in questa categoria le applicazioni fisioterapiche, che vengono utilizzate per diminuire il dolore, accelerare la cicatrizzazione delle ferite e ridurre il gonfiore. Un'applicazione molto recente e molto interessante è rappresentata dalla possibilità di migliorare il trasporto dei farmaci attraverso la pelle (sonoforesi) la distruzione, selettiva e controllata, di tessuti. Si tratta in questo caso di un fascio di ultrasuoni focalizzato, di potenza dell'ordine delle decine di watt, che viene applicato per un tempo relativamente lungo, tra 1 e 16 s Schema di principio della tecnica di focalizzazione di ultrasuoni di elevata intensità (HIFU, High Intensity Focused Ultrasound) per applicazioni di terapia chirurgica (adattato da http://www.hifutech.com/patients) Nella tabella sono sintetizzati i campi di variazione di alcuni parametri degli ultrasuoni usati in medicina: Valori tipici di alcuni parametri utilizzati nelle applicazioni degli ultrasuoni in campo medico Frequenza (MHz) Potenza (Watt) Intensità massima (Watt/cm 2 ) Durata dell'impulso Diagnostica medica Pulse echo Doppler pulsato 1-20 0.05 1.75 0.2-1 µs 1-20 0.15 15.7 0.3-10 µs Fisioterapia 0.5-3 <3 2.5 2-8 ms o continuo Chirurgia 0.5-10 200 1500 1-16 s (adattato da G. R. ter Haar, Acoustic Surgery, Physic Today, vol. 54, n. 12, 2000, p. 29)
2. APPLICAZIONI INDUSTRIALI Le applicazioni degli ultrasuoni in campo industriale sono molto numerose. Le più comuni sono: prove non-distruttive; gli ultrasuoni sono utilizzati per l'individuazione di difetti e imperfezioni nei metalli utilizzando una tecnica di pulse-echo analoga a quella applicata nella diagnostica medica: un'imperfezione, che comporta un cambiamento di materiale e quindi di velocità di propagazione, produce una riflessione e quindi un'eco; la visualizzazione dell'intensità dell'eco in funzione della distanza all'interno del solido permette di localizzare l'imperfezione. La frequenza utilizzata è di pochi MHz. Gli ultrasuoni permettono di individuare e controllare la corrosione nei recipienti a pressione, tubazioni, ponti, vagoni cisterna, ponti delle navi, strutture degli aerei. pulitura e lavaggio; gli oggetti vengono puliti immergendoli in una soluzione a base acquosa che viene irradiata da un campo sonoro molto intenso. Il calore e la cavitazione favoriscono i meccanismi di pulitura. La cavitazione è dovuta al fatto che le bolle liquide, prodotte dagli ultrasuoni quando l'ampiezza della pressione acustica supera la pressione idrostatica del liquido, aumentano di diametro e collassano, esercitando un'azione meccanica sulla superficie degli oggetti. Il campo di frequenza utilizzato è approssimativamente compreso tra 20 khz e 100 khz.
Un piccolo apparecchio a ultrasuoni per la pulitura delle lenti a contatto foratura e saldatura; il trasduttore causa l'oscillazione di un trapano o di una testa che vibrano. Per le operazioni di foratura viene forzata l'oscillazione di sostanze abrasive, mentre nel caso della saldatura la vibrazione causa calore. Il campo di frequenza è approssimativamente tra 20 khz e 200 khz. Saldatrice a ultrasuoni emulsificazione e omogeneizzazione di sistemi liquidi, a base acquosa o oleosa si ottengono applicando ultrasuoni di elevata intensità che causano cavitazione. Le frequenze utilizzate sono dell'ordine delle decine di khz. Emulsionatore a ultrasuoni