Fisica Medica

Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Corso di Laurea in Tecniche di Neurofisiopatologia
Gli ultrasuoni
nella diagnostica medica
Prof. Ugo Oliviero
Fisica Medica: Definizioni
Suono: percezione uditiva di un fenomeno fisico che consiste
nella possibilità da parte di un mezzo (solido, liquido o gassoso),
di trasmettere l’oscillazione di una pressione cui è sottoposto.
Da un punto di vista prettamente fisico il suono è un’onda
meccanica longitudinale la quale comporta un movimento
vibratorio periodico di strutture molecolari attraverso cicli di
compressione e rarefazione, che possono essere rappresentati
come un’onda sinusoidale.
Rarefazione
λ
Compressione
Periodo
Lunghezza d’onda=λ
Ampiezza
Periodo
PERIODO: Intervallo di tempo necessario per compiere un’oscillazione completa.
L’unità di misura è il secondo [s].
LUNGHEZZA D’ONDA: per convenzione è la distanza compresa tra i fronti d’onda
di 2 oscillazioni consecutive e viene indicata con la lettera greca Lambda: λ . L’unità di
misura è il metro [m].
FREQUENZA: E’ il numero delle oscillazioni nell’unità di tempo. Essendo la
frequenza legata alla lunghezza d’onda, nel caso di un’onda lunga, conteremo un basso
numero di oscillazioni (bassa frequenza), nel caso di un’onda corta la frequenza sarà
maggiore (alta frequenza). L’unità di misura è l’Hertz (numero di oscillazioni al
secondo)
AMPIEZZA : E’ l’escursione massima dell’onda. Dall’ampiezza deriva l’intensità
che, nel caso di un’onda sonora, rappresenta la pressione esercitata dall’onda stessa su
una superficie. L’ampiezza è misurata in metri, l’intensità è il rapporto tra ampiezza e
superficie: tanto maggiore è l’ampiezza dell’onda, tanto maggiore è la pressione
esercitata su quella data superficie. L’unità di misura è il metro[m].
INTENSITÀ: L’intensità di un’onda sonora è definita come la potenza media (Watt
o W) per unità di area (metro quadrato o m2). Ha come unità di misura il Decibel
(dB) nello spettro acustico dell’uomo. L’intensità sonora nell’acustica ultrasonica
viene misurata in watt per metro quadrato(W/m2).
VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE: La velocità di propagazione è la velocità con
la quale il suono si propaga in un mezzo e dipende dalla densità del mezzo e dal
modulo di compressione ossia dalla rigidità/elasticità del mezzo (k=costante del
mezzo)
La velocità di propagazione degli US
è data da:
Lunghezza d’onda
Frequenza
Nei tessuti biologici la
velocità è circa 1540 m/s
eccetto l’osso in cui ν =
4000 m/s ed il tessuto
adiposo in cui v =1480 m/s
Fisica Medica
Il suono cosi’ come udito dall’ orecchio umano è compreso tra una frequenza di
15 e 25.000 Hertz.
Gli ultrasuoni sono onde sonore con una frequenza più elevata del limite
superiore del campo di udibilità dell’uomo; quindi superiore ai 20.000 Herzt.
In medicina, nella diagnostica per immagini si utilizzano frequenze
ultrasoniche comprese tra i 2,5 ed 20 MHz (1 MHz = 1.000.000 Hz)
Fisica Medica:Propagazione degli ultrasuoni
IDIFFUSA
Le interazioni fondamentali che intervengono tra un fascio di ultrasuoni ed il
mezzo in cui si propaga sono:
A) Onda Incidente
B) Onda Riflessa >importante per la genesi delle immagini di parete
C) Onda Diffusa > importante nella genesi delle immagini parenchimali
D) Onda Assorbita
E) Onda Trasmessa o Rifratta
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Fisica Medica: Interazioni tra ultrasuoni e mezzi
Propagazione dell’onda: attenuazione acustica
L’Attenuazione, in acustica, si intende una diminuzione in ampiezza subita da un'onda
sonora in dipendenza delle caratteristiche proprie, della sorgente e di quelle del mezzo
che attraversa. Ne deriva un decadimento esponenziale dell’ampiezza dell’onda che si
propaga. Nei tessuti l’energia acustica viene trasformata principalmente in calore a
causa della viscosità. Il grado di attenuazione dipende dalle caratteristiche del tessuto. Il
valore medio di attenuazione è dell’ordine di 1dB per ogni cm di spessore del mezzo
attraversato e per ogni megahertz di frequenza della sorgente ultrasonora.
Un’importante conseguenza di tale comportamento è che maggiore è la frequenza
minore è la profondità esplorabile. Pertanto nello studio di un distretto vascolare
superficiale le frequenze utilizzate sono elevate (tra i 5 ed i 10 MHz), nello studio di un
distretto profondo (ad es circolo cerebrale) si utilizzano frequenze intorno ad i 2 MHz.
Fisica Medica: Interazioni tra ultrasuoni e mezzi
Propagazione dell’onda: impedenza acustica
L’impedenza acustica è costituita dall’insieme delle forze che si oppongono alla
trasmissione dell’onda ultrasonica. L’impedenza acustica è la caratteristica che ci
permette di distinguere i diversi tessuti. In corrispondenza delle superfici di
separazione tra mezzi ad impedenza acustica diversa (interfacce acustiche), infatti,
hanno luogo i fenomeni di riflessione e di diffusione da cui originano gli echi,
fondamento delle immagini ecografiche.
L’impedenza acustica (Z), è la forza con la quale ogni mezzo si oppone al passaggio
degli ultrasuoni, è data dal prodotto della densità del mezzo per la velocità di
propagazione degli ultrasuoni e si misura in Rayls:
Densità del mezzo(g/cm3)
Velocità del suono del mezzo(m/sec)
Fisica Medica: Interazioni tra ultrasuoni e mezzi
-
La percentuale di onde riflesse dai tessuti molli dell’organismo è
circa l’1%.
-
Le elevate percentuali di riflessione dell’osso e dell’aria non ne
permettono uno studio ecografico.
-
La vibrazione generata dalla pressione dell’onda sonora viene
attenuata dalle forze di coesione molecolare,
per cui parte
dell’energia viene trasformata in calore che esprime, insieme alla
vibrazione, l’assorbimento dell’energia dipendono dal tipo di tessuto
ed aumentano con l’aumentare della frequenza.
-
L’assorbimento e la rifrazione. Sonde che utilizzano frequenze
elevate non possono essere utilizzate per lo studio dei tessuti
profondi.
Fisica Medica: l’Effetto Doppler
L’effetto Doppler (dal nome del fisico e
matematico austriaco Christian Doppler che
per primo lo ha descritto) è il cambiamento
apparente della frequenza o della lunghezza
d'onda di un'onda percepita da un osservatore
che si trova in movimento rispetto alla
sorgente delle onde e viceversa. L’effetto si
verifica sia quando è la sorgente sonora che si
muove ed il ricevitore è fermo (ambulanza in
arrivo) sia quando la sorgente è ferma ed il
ricevitore è in movimento (suono del
campanile
mentre si transita nel corso
principale del paese). L’effetto Doppler,
quindi, è quel fenomeno fisico per cui la
frequenza del suono di una sorgente sembra
aumentare mentre si avvicina ad un
ascoltatore o, al contrario, sembra ridursi
quando si allontana. Il cambiamento
apparente di frequenza viene detto Doppler
shift (spostamento, differenza Doppler).
Fisica Medica: l’Effetto Doppler
Nel nostro caso, la sorgente sonora è la
sonda,
provvista di un
cristallo
piezoelettrico generatore di ultrasuoni, ed
il ricevitore in movimento è il sangue.
I globuli rossi rappresentano le interfacce
sulle quali si generano gli echi la cui
frequenza sembrerà aumentare, in caso di
flussi in avvicinamento alla sorgente
sonora (sonda) o ridursi, in caso di flussi
in allontanamento.
La variazione (Doppler Shift=fd) della
frequenza dell’effetto Doppler dipende
dalla velocità del flusso (maggiore è la
velocità, maggiore lo shift) secondo la
formula
In ecodoppler vascolare, l’effetto Doppler
viene utilizzato per rivelare la presenza di
flussi ematici e definirne le caratteristiche.
f0
c
V
Θ
= Frequenza onda incidente
= Velocità di propagazione del suono
= Velocità di bersaglio
= Angolo di incidenza del fascio
ultrasonoro con il bersaglio
Fisica Medica: l’Effetto Doppler
Calcolo della velocità del flusso
Sviluppando la formula:
è possibile calcolare la velocità del flusso:
__f x c__
V= 2 f dx cos Θ
0
La velocità del flusso ematico è un importante
parametro fisiologico. L’angolo di direzione del fascio
ultrasonoro verso il flusso di sangue (cos Θ), influenza
il calcolo della velocità. Se l’angolo d’incidenza fosse
pari a 0° la direzione degli ultrasuoni sarebbe parallela
al flusso e la velocità calcolata corrisponderebbe alla
velocità reale. Naturalmente non è possibile orientare
una sonda in maniera assolutamente parallela al flusso
ematico, e quindi tra sonda emittente e flusso c’è
sempre un angolo di incidenza. Con l’aumento
dell’angolo di incidenza si riduce la stima della
velocità; ad esempio con un angolo pari a 60° la
velocità stimata è pari al 50% della reale; al di sopra di
60° la riduzione della stima è tale che non può essere
compensata da correzioni matematiche. L’angolo di
incidenza utilizzato in pratica è compreso tra 40 e 60°.
Fisica Medica: l’Effetto Doppler
Esempi di visualizzazione Doppler
L’effetto Doppler può essere visualizzato con
diverse modalità…
Doppler Pulsato (Pulsed Wave – PW);
Doppler Continuo (Continuous Wave – CW);
Color Doppler (CD);
Power Doppler (PD).
… ma questa è un’altra Storia …
… alla prossima avventura!!!
Grazie per l’attenzione.