ONDE MECCANICHE ELASTICHE in BIOLOGIA e MEDICINA

1. 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 SUONI Ultrasuoni < 20 Hz 20 Hz – 20 kHz > 20 kHz Non percepiti dall’uomo Percepiti dall’uomo (acustica) Non percepiti dall’uomo

2. Gli ULTRASUONI Frequenza (f) Suoni percepibili dall’orecchio umano ULTRASUONI 20 Hz – 20 kHz > 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

3. 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

4. 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 • Sorgente (a contatto della superficie): emette il segnale • all’istante t0 = 0 • 2. 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 d tra le interfacce

5. 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’ VELOCITA’ (g/cm3) (m/s) Sangue 1.00 1560 Grasso 0.93 1470 Muscolo 1.06 1568 Osso cranico 1.85 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

6. Parametri tecnici di un’ecografia • Caratterizzano la sorgente/ricevitore, • permettono di avere un’immagine ecografica più o • meno dettagliata e precisa. • 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 l = v/f = 1,5 mm f = 15 MHz l = v/f = 0.1 mm Anche la durata dell’impulso emesso limita la risoluzione assiale: impulsi di durata lunga impediscono di rivelare due interfacce molto vincine Minima risoluzione longitudinale

7. 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.

8. 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. • Intensità del fascio • I fasci riflessi o rifratti non arrivano al • ricevitore e vengono persi. Fasci pulsati Diminuiscono l’intensità totale trasmessa

9. 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.

10. Esempi di ecografia a scansione • OSSERVAZIONI: • 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

11. 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. • Compensazione nel guadagno temporale • Permette di studiare le interfacce indipendentemente dall’attenuazione sonora • 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

12. 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

13. 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 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.

14. 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 u q globulo rosso Vaso sanguigno v = velocità ultrasuono u = velocità globulo rosso fs = frequenza sorgente fg = frequenza sul globulo rosso fr = frequenza ricevuta

15. 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

16. CARATTERISTICHE DELL’ECODOPPLER • Con opportuna scelta di fsla variazione di frequenza • può ricadere nella banda dell’udibile • Es: fs = 1 MHz • v = 1500 m/s Df = 200 Hz • u = 15 cm/s • 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)

17. ECODOPPLER PULSATO • Utilizzando una sorgente pulsata è possibile distinguere da che punto in profondità del vaso sanguigno proviene il segnale