Física Aplicada à Sistemas Biomédicos II
Aula - ULTRASSOM
Faculdade de Tecnologia de Bauru
Sistemas Biomédicos
Introdução
Animais (morcegos, golfinhos, mariposas etc) se locomovem, encontram alimento e
fogem do perigo através da ondas ultrassônicas que eles próprios emitem.
As observações do comportamento desses animais sugeriram a ideia do
desenvolvimento do sonar, durante a Segunda Guerra Mundial.
Esse instrumento serve para detectar objetos sob a água como submarinos e minas,
e também avaliar a profundidade do mar.
Desde então, houve um aumento muito grande de aplicações do ultrassom no mais
diversos campos.
O ultrassom esta fora da faixa de frequência audível ao homem, portanto pode ser
empregado com intensidade bastante alta, além do seu uso à baixa frequência.
Introdução
Baixa intensidade propósito de transmitir a energia através do um meio e com
isso obter informações do mesmo.
Aplicações: ensaio-não destrutivo de materiais, medida de propriedades elásticas de
materiais e diagnose médica.
Alta intensidade tem o objetivo produzir alteração no meio através do qual
onda se propaga.
Aplicações: terapia médica, atomização de líquidos, limpeza por cavitação, ruptura de
Definição
Ondas ultrassônicas são ondas mecânicas longitudinais, cujas frequências estão fora
do campo de audibilidade dos humanos. Se a frequencia de vibração da onda sonora for:
Menor do que 20 Hz ondas infrassônicas.
Maior do que 20000 Hz (20 kHz) ondas ultrassônicas.
As ondas ultrassônicas são geradas por transdutores ultrassônicos também chamados simplesmente de transdutores.
Transdutores são mecanismos que convertem energia elétrica em energia mecânica.
As ondas ultrassônicas podem sofrer reflexão, refração ou difração quando o feixe
encontra uma interface entre meios com características acústicas diferentes. Baseados nesse comportamento, dois métodos experimentais são geralmente utilizados para caracterização de meios biológicos e não biológicos por ultrassom: o método transmissão-recepção e o método pulso-eco (reflexão). A combinação desses dois métodos permite obter informações sobre distância entre objetos, velocidade de propagação e atenuação de ondas ultra-sônicas nos meios (Maia, 2001).
Método transmissão-recepção
No método transmissão-recepção, apresentado no esquema da Figura 1, é utilizado dois transdutores independentes para transmitir e receber as ondas ultrassônicas. Nesse caso, um pulso elétrico é aplicado no transdutor transmissor, gerando uma onda ultrassônica que se propaga através do meio e é captada no transdutor receptor.
Método pulso-eco
No método pulso-eco, apresentado no esquema da Figura 2, o mesmo transdutor atua como
transmissor e como receptor de ondas ultrassônicas. Nesse caso, um pulso elétrico é aplicado ao transdutor e esse gera uma onda ultrassônica. A onda ultra-sônica propaga-se através do meio 1 e, assim que encontra a interface entre os meios 1 e 2, parte da onda é refletida e outra se propaga através do meio 2. Da mesma forma, a onda que se propaga através do meio 2, ao encontrar outra interface, terá parte refletida e parte transmitida. As ondas refletidas que são captadas pelo transdutor trazem informações sobre a distância ou a velocidade de propagação. Também é possível obter informações sobre atenuação processando-se os ecos recebidos. Conhecendo-se a velocidade de propagação nos meios, pode-se determinar a distância percorrida pelas ondas utilizando-se o tempo decorrido entre a excitação do transdutor e o instante em que as ondas refletidas são captadas.
Propriedades das ondas ultrassônicas
Uma propriedade geral das ondas, de interesse para as aplicações do ultrassom,
refere-se à situação em que uma onda encontra uma interface entre dois meios diferentes quando parte dela é refletida e parte é transmitida.
A onda refletida retorna da interface, através do meio incidente, com a mesma
velocidade com que se aproximou da interface. Essa onda refletida, no caso do som, é chamada de eco.
A onda transmitida continua a se propagar após a interface, mas com velocidade
característica do segundo meio. Os ângulos de incidência e de reflexão são iguais, e vale a lei de Snell como no caso da óptica geométrica.
Para comprimentos de onda do ultrassom pequenos, comparados as dimensões da
interface e incidindo perpendicularmente a ela pode-se deduzir o coeficiente de reflexão de intensidade R:
Ir = intensidade da onda refletida; Ii = intensidade da onda incidente; ZA = impedância acústica do meio A; ZB = impedância acústica do meio B.
Essa impedância são dadas por:
ρ = densidade do meio;
v = velocidade de propagação da onda no meio.
A razão entre a intensidade transmitida It e a incidente Ii fornece o coeficiente de
transmissão da intensidade T:
Quando ZA = ZB, não há onda refletida, pois Ir = 0 e It = Ii, isto é, toda onda
incidente é transmitida, e
Densidade e impedância acústica de alguns materiais e velocidade do ultrassom
neles:
Material ρ (kg/m3) V (m/s) Z [kg/(m2.s)]
Ar 1,29 3,31 x 102(CNTP) 430
Água 1,00 x 103 14,8 x 102 1,48 x 106 Cérebro 1,02 x 103 15,3 x 102 1,56 x 106
Exemplo 1 - Calcule o coeficiente de transmissão da intensidade do ultrassom na
interface ar-músculo.
Exemplo 2 – Calcule a percentagem da intensidade da onda sonora que é: a) Refletida na interface água-músculo;
b) Transmitida na interface água-músculo.
Material ρ (kg/m3) V (m/s) Z [kg/(m2.s)] Ar 1,29 3,31 x 102(CNTP) 430 Água 1,00 x 103 14,8 x 102 1,48 x 106 Cérebro 1,02 x 103 15,3 x 102 1,56 x 106 Músculo 1,04 x 103 15,8 x 102 1,64 x 106 Gordura 0,92 x 103 14,5 x 102 1,33 x 106 Osso 1,90 x 103 40,4 x 102 7,68 x 106 12
Dos resultados do exemplo 2 conclui-se que, quando as impedâncias acústicas dos
dois meios são similares, quase toda a intensidade é transmitida.
É por essa razão que as aplicações do ultrassom são feitas na água ou colocando-se
gel entre o transdutor e a pele para obter um bom acoplamento, comumente conhecido como casamento de impedâncias.
Outro fato que ocorre quando uma onda ultrassônica atravessa um meio
homogêneo como um tecido é o decréscimo de sua intensidade com a distancia.
Esse decréscimo ou atenuação é causado pelo espalhamento pela divergência da
A atenuação de uma onda ultrassônica obedece a lei exponencial:
Onde I é a intensidade do ultrassom após atravessar uma espessura x de um matéria com coeficiente de atenuação α e I0 é a intensidade inicial.
As intensidades do ultrassom são medidas em W/m2, W/cm2 ou mW/cm2.
Se x for medida em cm,α será expresso em cm-1,pois xα deve ser adimensional. O coeficiente de atenuação do ultrassom geralmente aumenta com a frequência,
razão pela qual existe um limite máximo de frequência a ser empregada clinicamente.
Exemplo 3 – Uma onda ultrassônica de 3,5 MHz incide sobre o músculo bíceps, no
qual o coeficiente de atenuação α vale 0,6 cm-1. De quanto por cento a intensidade
Em qualquer sistema formador de imagens, a resolução da imagem é
fundamentalmente limitada pelo comprimento de onda da radiação empregada.
Em princípio, a resolução é aumentada quando o comprimento de onda é diminuída,
isto é a frequência é aumentada.
Por outro lada, o aumento da frequência, aumenta a atenuação em meios biológicos. Portanto, em qualquer aplicação deve haver um compromisso entre resolução e
alcance, ou seja, frequências suficientemente altas para obter boa resolução, mas baixas o suficiente para se detectarem ecos das estruturas em estudo.
Formação de imagens
A informação diagnóstica sobre a profundidade das estruturas no corpo humano
pode ser obtida enviando-se um pulso de ultrassom através do corpo e medindo-se o intervalo de tempo ∆t entre instante de emissão do pulso e o de recepção do eco.
Como o pulso viaja duas vezes a mesma distância d (ida e volta) entre o transdutor
e a interface que produziu o eco num intervalo de tempo ∆t a distância d será dada por:
Uma forma de analisar estruturas em movimento faz uso do efeito Doppler.
Como mencionado anteriormente, a frequência de uma onda ultrassônica refletida na
interface de uma estrutura estacionária é igual a frequência da onda incidente. Se a estrutura for móvel – como é o caso do fluxo sanguíneo ou do coração – haverá uma variação na frequência da onda refletida em relação à da onda incidente, e esse efeito se chama Doppler.
Para um fonte sonora se aproximando do ouvinte:
vf = velocidade da fonte
v = velocidade de propagação da onda f = frequência da fonte
f’1 = frequência ouvida
Para uma fonte sonora se afastando do ouvinte:
Para um ouvinte se aproximando de uma fonte sonora estacionária:
A diferença f entre as frequência do ultrassom emitido e recebido pode ser
deduzida pelas fórmulas 4 e 2 , levando em conta que há um ângulo Θ entre a direção de movimento do sangue e a do ultrassom, e que a velocidade v do ultrassom é muito maior que a velocidade do sangue:
f = frequência inicial do ultrassom;
v.cosΘ = componente da velocidade do sangue na direção de incidência do ultrassom; V = velocidade do ultrassom.
EFEITOS BIOLÓGICOS DO ULTRASSOM
Elevação da temperatura local.
Cavitação formação de cavidades ou bolhas no meio liquido, contendo
quantidades variáveis de gás ou vapor.
Forças de “radiação” podem deslocar, distorcer, e/ou reorientar partículas
intercelulares, ou mesmo células com relação a suas configurações normais.
Microcorrenteza acústica o fluido componente de uma suspensão biológica
entra em movimento circulatório.
Exercícios
1. Calcule o coeficiente de reflexão e transmissão de ondas ultrassônicas na interface
músculo-osso. Consulte a tabela.
2. Um trem, ao passar por uma estação com uma velocidade de 100 km/h, apita emitindo
um som com uma frequência de 500 Hz. Quais são as frequências ouvidas por uma pessoa na estação, quando o trem se afasta e se aproxima?
3. Um ônibus está parado no ponto e toca a buzina, esperando um passageiro que se
aproxima de um carona num carro. O passageiro diz que a frequência da buzina foi de 300 Hz, ao passo que o motorista do ônibus afirma que ela foi de 280 Hz. Determine a velocidade do carro.
4. Se o coeficiente de atenuação α de um feixe de ultrassom de 1MHz no osso for de 1,2
m-1, para qual espessura do osso ocorrerá 90% de atenuação desse feixe?
5. Deseja-se medir a velocidade do fluxo sanguíneo na aorta de uma pessoa. Para isso,
usa-se a técnica Doppler de ultrassom. Coloca-usa-se um transdutor fazendo um ângulo de 45° com a direção do fluxo sanguíneo. A frequência do ulrassom é de 5 MHz. A diferença máxima entre a frequência emitida e a recebida, devida ao efeito Doppler, é de 3 KHz. sabendo-se que a velocidade do ultrassom no sangue é de 1500 m/s, calcule a velocidade máxima do fluxo sanguíneo na aorta.
