METROSAÚDE 2005 – Simpósio de Metrologia na Área da Saúde Rede Metrológica do Estado de São Paulo - REMESP
09 e 10 de novembro de 2005, São Paulo, Brasil
IMPLANTAÇÃO DA MEDIÇÃO PRIMÁRIA DE POTÊNCIA ULTRA-SÔNICA
DO LABORATÓRIO DE ULTRA-SOM DO INMETRO
Marissa A. Rivera Cardona
1, André Victor Alvarenga
2, Rodrigo P. B. da Costa-Felix
3 1, 2, 3 Laboratório de Ultra-som, Divisão de Metrologia Acústica e de Vibrações, Diretoria de Metrologia Científica eIndustrial, Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial, Duque de Caxias, Brasil, 1
macardona@inmetro.gov.br
Resumo: Atualmente, é possível identificar claramente a necessidade de aplicação da metrologia no dia a dia. No ambiente hospitalar esta necessidade é premente. Logo, é evidente, que a ausência dos aspectos mais importantes (segurança, normalização e qualidade) da Metrologia no Âmbito Hospitalar podem resultar em graves riscos à saúde para aquele que procura o auxilio médico, para o profissional da saúde e, para a população em geral. A aprovação de novos modelos de equipamentos, ou então novos equipamentos, acreditação de laboratórios de ensaios, e a avaliação crítica e periódica desses itens, de acordo com procedimentos elaborados internamente pelo Laboratório de Ultra-som do Inmetro, e aceitos a nível internacional, tem como resultado a segurança da população e a otimização do uso com qualidade da tecnologia. Assim, a implantação do Serviço de Medição de Potência Ultra-sônica a Nível Primário, para alta e baixa potência, vem suprir esta demanda, há muito tempo latente, e tem como objetivo fornecer suporte à industria, laboratórios de ensaios e a população em geral, com vistas ao uso seguro e com qualidade do ultra-som. Esse serviço vem sendo implantado de acordo com a norma IEC 61161, sendo que neste trabalho são discutidos alguns dos aspectos mais relevantes da norma.
Palavras-chave: som, metrologia, potência
ultra-sônica, balança de força de radiação.
1. INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, o uso do ultra-som tem-se estendido para inúmeras áreas e para as mais diversas aplicações. De maneira geral, as aplicações podem ser divididas em dois grandes grupos: ultra-som de baixa potência, como o utilizado no diagnóstico médico e em ensaios não destrutivos (END) e, o ultra-som de alta potência, muito usado na industria e em diversas áreas da medicina tais como fisioterapia, cirurgia, litotripsia e, recentemente, no tratamento de alguns tipos de tumores. A quantificação da potência ultra-sônica gerada pelo transdutor visa a segurança e também faz parte da caracterização do sistema. Em resumo, ela é de suma importância, principalmente quando se lida com aplicações nas quais a potência acústica é elevada e mais ainda quando o objeto da aplicação é o ser
humano. Nesse caso, procura-se otimizar a relação custo/benefício, em outras palavras, que o ser humano, isto é, o paciente ao ser exposto a uma tecnologia de risco, o benefício recebido seja muito maior que os possíveis danos que dita tecnologia possa lhe ocasionar (Princípio ALARA – “as low as achievable”) [1].
De maneira geral, a aplicação da Metrologia no dia a dia de um hospital/clínica, é uma prática relativamente “recente” mesmo em países desenvolvidos. Isto pode ser conferido, na área de fisioterapia por ultra-som, pelos estudos realizados por [2] a [13], nos quais fica evidenciada a falta de informação que acompanha o profissional da saúde e o paciente em relação ao tema e a sua importância. Quanto ao risco em potencial no ultra-som de diagnóstico, estudos realizados entre 1979 e 1995 mostraram que a potência acústica de saída teve um aumento de 500% em 15 anos [14]. Estudos recentes têm demonstrado um aumento nos níveis de temperatura na pele após o uso de transdutores de diagnóstico [15].
2. NORMA 61161 – ASPECTOS RELEVANTES
A literatura relata várias maneiras para quantificar a potência acústica de saída na faixa de ultra-som. As mesmas estão baseadas nos mais diversos princípios físicos, entre eles: força de radiação [16], temperatura [17] e, ótica [18]. A nível internacional, os laboratórios primários têm como referência em seus procedimentos de medição a norma IEC-61161 – Ultrasonic Power Measurement in Liquids in the Frequency Range 0,5 MHz to 25 MHz, publicada inicialmente em 1992 e revisada em 1998. Essa norma trata, principalmente, da medição de potência acústica fazendo uso do dispositivo Radiation Force Balance, cujo princípio físico é baseado na força de radiação. A norma [19] denomina também esse tipo de balança de micro balança
ultra-sônica, pois especificamente se refere às balanças
gravitacionais nas quais o feixe acústico é orientado verticalmente, seja para cima ou para baixo [19].
De maneira geral, o esquema de montagem da Balança de Força de Radiação consiste em uma balança analítica de alta resolução (4 casas decimais ou mais que proporcionarão uma resolução de 2mW ou melhor). Essa balança é comum
em laboratórios químicos e biológicos. Além da balança, é necessário um recipiente com água degaseificada (para evitar a ocorrência de cavitação) contendo o dispositivo responsável (alvo) por receber o impacto da força de radiação, um sistema de compensação (antagonista da força de radiação) e um sistema de controle (Figura 1).
O tipo necessário de balança depende da magnitude da potência ultra-sônica que se deseja medir, por exemplo uma potência de 10 mW implica 6,7 µN (na água e usando um alvo absorvedor) de força de radiação, equivalente a 0,68 mg de massa. Por outro lado, 10 W significa uma força de radiação de 6,7 mN e 0,68 g de massa. As balanças comerciais atendem muito bem o segundo caso. Para o primeiro caso, em geral, os laboratórios primários costumam montar seu próprio sistema [20].
Fig 1: Diagrama Esquemático de uma balança de força de radiação [24]
Cabe mencionar que a leitura da balança é em massa. Para obter força é necessário conhecer o valor da aceleração da gravidade no local de medida. A norma sugere que para balanças calibradas com pesos de massa conhecida, ou para os casos em que a leitura da balança seja dada em unidades de massa o resultado deverá ser multiplicado pela gravidade (9,81m/s2) para assim obter as unidades de força (N). considerando-se a velocidade do som na água “pura” (destilada e degasseificada) de 1491m/s a 23°C [19].
2.1. Classificação de balanças de acordo com o tipo de alvo
De acordo com o tipo de alvo, as balanças podem ser classificadas em:
2.1.1. Balanças com alvo absorvedor:
Neste caso, a interação do alvo com o feixe de ultra-som se da pelo fenômeno de absorção da energia ultra-sônica. Segundo [19], o alvo absorvedor deve possuir as seguintes características:
-Fator da amplitude do sinal refletido: menor que 5% do sinal incidente (20 dB).
-Energia acústica absorvida no alvo: igual ou maior a 99% da energia incidente (26 dB).
Esses alvos são de dificil obtenção, porém minimizam os erros devidos ao posicionamento e alinhamento do sistema
transdutor – alvo [20]. Por motivos comerciais, entre outros, até o momento não foi publicado o procedimento exato para a fabricação de um alvo absorvedor que atenda às características acima citadas. Porém, muitos autores tem reportado estudos sobre diferentes tipo de alvos absorvedores [21], [22] e [23]. Entre eles, o que mais parece se adaptar a norma é o indicado por [22] que atualmente se encontra disponível comercialmente. Este alvo tem um fator de amplitude do sinal refletido de 1,2%, muito menor que o exigido pela norma [19], e atende plenamente à norma em relação à percentagem de energia absorvida.
Os alvos absorvedores mais conhecidos são os discos de borracha elástica específica (com padrão de dente de serra, ver Figura 2, ou de superfície lisa). Novamente na norma, não há indicação alguma quanto à composição da borracha ou seu nome ou identificação comercial.
A Figura 1 mostra o diagrama esquemática de um das montagens, possíveis, utilizando este tipo de alvo [24]. No caso de balanças com alvo absorvedor, a potência pode ser obtida utilizando a equação (1) abaixo indicada:
cF
P= (1)
onde P é a potência acústica de saída, c é a velocidade do som na água e F é a força de radiação.
Atualmente, o Laboratório de Ultra-som (Inmetro) está desenvolvendo seu próprio material absorvedor.
A equação (1) não deve ser aplicada em transdutores focalizados [19]. Nesse caso, deve-se usar a expressão da força de radiação fornecida na equação (2):
(
1 cos( ))
cF 2 P γ + = (2) Onde
= d a sen arcγ
,
sendo a o raio do elemento ativo do transdutor e d é o comprimento focal geométrico [19] Os alvos absorvedores costumam modificar o seu volume e consequentemente, a sua densidade durante o processo de medição, visto que o fenômeno de absorção envolve aumento de temperatura do meio absorvedor. Para determinar os efeitos térmicos recomenda-se realizar uma medida antes e depois de ligar o transdutor e antes e depois de desligar o mesmo [19].2.1.2. Balanças com alvo refletor
Neste caso, a interação do alvo com o feixe de ultra-som se da pelo fenômeno de reflexão da energia ultra-sônica. De acordo com [19], os alvos refletores mais indicados são os cônicos feitos de espuma rígida plástica metalizada ou então cones metálicos ocos. Infelizmente, nesse caso, a norma não especifica com detalhes o tipo de metal e a sua espessura, assim como também não há especificação alguma sobre a espuma plástica que deve ser utilizada. A maioria dos
autores referem a utilização de balanças de força de radiação comerciais ([2 - 13] ) ou de fabricação própria [11], que utilizam alvos refletores, sem fornecer detalhes adicionais quanto a sua composição. A norma IEC 61161 sugere o uso de alvos refletores convexos ou côncavos. Nos refletores convexos, o meio ângulo plano no vértice do cone é 45°, desta maneira as ondas são refletidas num ângulo de 90° em relação ao eixo central do feixe acústico do transdutor e não influenciam na medição (ver figura 2b).
(a)
(b)
Fig. 2: Alvos: (a) Alvo absorvedor com superfície em forma de dente de serra, [19]; (b) Alvo refletor desenvolvido no Inmetro
Nos refletores côncavos, o meio ângulo plano no vértice do cone varia entre 60° e 65°. Nesse tipo de alvo as ondas acústicas são refletidas a uma distância mais próxima do transdutor quando comparada com os refletores convexos. Na prática, os alvos refletores são de usinagem de baixa complexidade, sendo que o grau de complexidade na fabricação aumenta nos refletores côncavos.
As dimensões do tamanho do alvo, quando comparadas ao do transdutor, são um fator extremamente importante para a qualidade da medição da potência ultra-sônica total de saída. Independente do tipo de alvo que esteja sendo utilizado, esse deverá ser grande o suficiente para poder abranger o máximo campo acústico possível (seção transversal) e a sua dimensão não poderá ser menor do que 1,5 vezes a dimensão correspondente no transdutor.
O procedimento para calcular o raio mínimo, b, do alvo (em relação ao raio a do elemento ativo do transdutor) de maneira que este receba uma força de radiação não menor
que 98% da força de radiação recebida, caso o mesmo fosse de diâmetro infinito, se encontra detalhado em [19]. Por precaução, b nunca deverá ser menor do que 1,5 a.
O cálculo da potência para alvos refletores é dado pela equação (3)
(
2cos2( ))
cF P θ = (3)onde P é a potência acústica de saída, c é a velocidade do som na água e F é a força de radiação e θ é o ângulo entre a direção de propagação da onda incidente e a direção normal à superfície [19].
A equação (3) assume que o alvo é grande o suficiente para cobrir todo o campo de radiação (seção transversal) sendo que a potência acústica de saída que não incide no alvo pode ser considerada desprezível quando comparada à potência acústica de saída total. Também, a equação (3), assume que a absorção de ultra-som no meio de propagação é mínima, caso isto não seja verdadeiro, a equação (3) representa a potência acústica na posição do alvo. Para obter a potência acústica no transdutor, a equação (3) deve ser multiplicada por e(2αx) onde x é a distância entre o alvo e o transdutor e α é a amplitude do coeficiente de atenuação para ondas planas. O valor de α para faixa de MHz é proporcional ao quadrado da frequência e é dado pela equação (4), considerando-se água pura a 23°C [19]. cm 2 ) MHz ( 1 4 10 x 3 , 2 2 = − α f (4)
onde f é a frequência ultra-sônica [19]
O modelo só é verdadeiro para o caso em que não existam outras causas de atenuação, devidas a distorções na amplitude e à presença de forças adicionais devido ao streaming acústico (nos casos em que esteja sendo usado uma membrana de blindagem) [19].
A equação (3) é válida para ondas planas, isto é, campo distante porém, é também possível seu uso no campo próximo para a maioria dos transdutores circulares planos [19].
De maneira geral, o alvo utilizado deve ter propriedades acústicas conhecidas e deverá, de preferência, se aproximar do absorvedor ou do refletor perfeito. A compressibilidade do mesmo deverá ser a menor possível para evitar as variações na linha de flutuação (bouyancy) do alvo, devido às mudanças na pressão ambiente que modulam seu volume. A estabilidade da linha de flutuação do alvo deverá ser maximizada.
2.2 Condições de Medição
Seguem abaixo, considerações indicadas por [19] para atingir as condições mínimas de medição de potência acústica de saída.
2.2.1. Sistema do tanque ou reservatório de água
Para alvos refletores, material absorvedor deverá ser utilizado nas paredes do reservatório de água do dispositivo de medição.
Não poderá haver geração de reflexões adicionais pelo alvo ou por qualquer outra parte do dispositivo de medição, e se houverem, elas não deverão interferir no processo de medição isto é não deverão retornar ao transdutor e interagir com ele ( medição em campo livre).
2.2.2. Condições ambientais e água
Para potências acima de 1W, só água degasseificada deverá ser utilizada no recipiente do alvo, para evitar a ocorrência de cavitação principalmente quando sejam avaliados transdutores tipicamente usados em fisioterapia ou então transdutores de alta potência. A cavitação é menos provável de acontecer em transdutores de baixa potência como os normalmente utilizados em END ou em ultra-som de diagnóstico.
De acordo com [19], a água degaseificada é obtida fervendo-a durante 15 minutos em pressão atmosférica, o pelo uso de uma câmara de vácuo com pressão não maior de 4 kPa durante um tempo maior que 3 horas. O procedimento deverá ser realizado pelo menos uma vez nas 12 horas anteriores à medição. A norma porém não chega a especificar qual seria a quantidade mínima (ou máxima) de água para o qual esse procedimento se aplica.
O transdutor, a membrana e o alvo deverão ser mantidos em água degaseificada várias horas antes do procedimento de medida. Nesse caso, pode ocorrer uma mudança no peso do absorvedor devido a absorção de água pelo material. Nesse caso, também, a norma não especifica a quantidade de horas mínima e nem a máxima.
Na faixa de mW, cuidado deverá ser tomado para que o dispositivo de medição não seja afetado por fluxos de ar, vibrações, e mudanças termais (o recipiente deverá ser o menos aberto possível para evitar correntes de convexão térmica ocasionada pela evaporação da água na superfície) [19]. No Labus, a balança será protegida por uma cúpula que poderá ser de acrílico ou algum outro material leve e, de preferência, transparente.
2.3 Principais Fontes de Incerteza
Devido à variedade de procedimentos existentes, não é possível obter uma analise de incertezas que represente
qualquer sistema com total fidelidade. Consequentemente, cada procedimento deverá ter o próprio e nele deverá levar em conta pelo menos os seguintes itens [19].
2.3.1. Sistema de balança e suspensão de alvo
Como regra geral, antes do procedimento de medição, a balança deverá ser calibrada com pesos apropriados de massa conhecida. Este procedimento deverá ser realizado com todo o setup de medida já montado, incluindo o alvo. O procedimento deverá ser repetido várias vezes com cada peso (pelo menos 3 pesos na faixa de interesse). Porém, a norma não especifica quantas, por regra geral, em metrologia considera-se aceitável 10 repetições, para poder observar claramente o espalhamento das medidas e obter o fator de calibração da balança em relação aos pesos.
Para balanças capazes de medir na faixa de mW, a calibração com pesos apropriados se torna inviável, neste caso a norma recomenda o uso de um transdutor de refêrencia, cuja curva de tensão de excitação - potência acústica de saída seja conhecida (várias tensões de excitação para obter os respectivos valores de potência acústica de saída). Atualmente, esse transdutor de refêrencia se encontra em fase de aquisição.
A norma ainda recomenda guardar esta informação para futuras referências [19].
2.3.2. Linearidade do sistema da balança
O procedimento anterior deverá ser realizado pelo menos a cada dois meses. Os resultados deverão ser plotados e é espera-se uma linha reta a partir da origem, caso isto não seja verdadeiro uma incerteza a mais deverá ser considerada.
2.3.3. Espalhamento das medidas da balança de força de radiação
Para encontrar a incerteza relacionada ao grau de espalhamento das medidas, é necessário encontrar o valor da potência acústica de saída logo que o transdutor é ligado. Em balanças eletrônicas, a força de radiação no momento de ligar o transdutor é obtida coletando dados da leitura da balança, para um mesmo valor de potência acústica de saída, ao longo do tempo e depois extrapolando até o instante em que o transdutor é ligado [19].
2.3.4. Imperfeições no alvo
Cabe mencionar que a onda refletida na superfície da água em montagens onde o transdutores é localizado com o feixe se propagando de baixo para cima, ocasionará um decrescimento da força de radiação medida em relação à verdadeira [19].
As reflexões provenientes de um alvo absorvedor ineficiente podem influenciar o transdutor mudando as caracteristícas
da potência acústica de saída. Para diminuir este efeito, o alvo pode ser posicionado levemente inclinado ou usar um melhor, caso haja interferência haverá oscilações na força de radiação que poderão ser observadas variando a frequência da excitação do transdutor ou variando a separação entre alvo e transdutor. A incerteza pode ser avaliada pela amplitude das oscilações no espalhamento das medidas [19]. Para alvos refletores, um cuidado maior é necessário, pois além de haver reflexões geradas pelo alvo, as mesmas também podem vir das paredes absorvedoras do recipiente. As imperfeções do material absorvedor das paredes laterais do recipiente, ocasionam tais reflexões, resultando no aumento da força de radiação medida. [19]. A análise anterior é válida para este tipo de alvo [19]. O melhor é realizar experiências em vários alvos. As características dos alvos variam com a frequência e a avaliação de incerteza deverá ser feita por separado para cada uma delas e para cada alvo [19].
2.3.5. Outras fontes
A norma IEC 61161 já fornece as incertezas quantificadas para os parâmetros indicados na Tabela 1. Outras fontes de incerteza são consideradas a seguir:
Atenuação e streaming: O que realmente interessa é a
potência na face do transdutor, mas a que é medida é na posição do alvo. Para isto, assume-se que atenuação e streaming sejam desprezíveis se isso não for verdade deve ser seguido o mecanismo de correção detalhado em [19].
Condições Ambientais: De preferência, deverá tentar se
eliminar, fisicamente, toda e qualquer influência do ambiente (correntes de ar, vibrações, etc). As medidas deverão ser repetidas pelo menos três vezes sem retirar o transdutor da montagem [19].
A norma recomenda verificar periodicametnte a incerteza total, montando e desmontando todo o sistema e repetindo as medidas pelos menos 3 vezes [19].
Tabela 1: Fontes de Incerteza
Parâmetro Potência Acústica de
Saída – Incerteza Geometria do alvo refletor
Refletor convexo 45° ± 1° ± 3,5% Refletor côncavo 63° ± 1° ± 1,8% Alinhamento Transdutor –Alvo
* refletor plano 45° ± 1° ± 3,5% Refletor convexo ± 3°± 3 mm ± 3,0%
Temperatura da água
23° ± 1° ± 0,2% Tamanho do alvo
Raio do alvo 50% maior que raio do Transdutor
± 1%
*Para alvos refletores, a incerteza é menor [19]
3. CONCLUSÕES
O Serviço de Medição de Potência Ultra-sônica a Nível Primário do Laboratório de Ultra-som/INMETRO entrará em atividade em 2006 e terá uma capacidade inicial de medição de até 20 W, com resolução de 2mW. Essa faixa abrange todos os equipamentos de ultra-som para fisioterapia e diagnóstico comerciais, além de alguns equipamentos de uso industrial ou e de END. Além disso, as balanças de força de radiação comerciais ou não, poderão, também, ser rastreadas ao laboratório visto que o mesmo estará dotado de um sistema de calibração rastreado ao National Physical Laboratory (NPL). Espera-se em um futuro próximo aumentar a capacidade do laborátório, visando resoluções maiores com menor incerteza e faixa de medição de potência mais ampla. O Serviço de Medição de Potência Ultra-sônica está aberto a pesquisas na área de ultra-som e correlatas através de convênios com instituções de ensino tanto para graduação como pós-graduação.
4. AGRADECIMENTOS
Ao Programa de Capacitação Científica e Tecnológica para a Metrologia Científica e Industrial do Inmetro – PROMETRO, Convênio Inmetro/CNPq (no. 680015/2004-3), pelo apoio financeiro.
5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS
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Autor: Eng. Marissa Anabel Rivera Cardona, D.Sc., Laboratório de Ultra-som, Divisão Metrologia Acústica e de Vibrações, Diretoria de Metrologia Científica e Industrial, Inmetro, Av. Nossa Senhora das Graças, 50 (Prédio 1) – Xerém, Duque de Caxias, RJ, Brasil, Tel.: (21) 2679-9720, FAX.: (21) 2679-1296, macardona@inmetro.gov.br.
Autor: Eng. André Victor Alvarenga, D.Sc., Laboratório de Ultra-som, Divisão de Metrologia Acústica e de Vibrações, Diretoria de Metrologia Científica e Industrial, Inmetro, Av. Nossa Senhora das Graças, 50 (Prédio 1) – Xerém, Duque de Caxias, RJ, Brasil, Tel.: (21) 2679-9720, avalvarenga@inmetro.gov.br.
Autor: Eng. Rodrigo Pereira Barretto da Costa–Félix, D.Sc., Laboratório de Ultra-som, Divisão Metrologia Acústica e de Vibrações, Diretoria de Metrologia Científica e Industrial, Inmetro, Av. Nossa Senhora das Graças, 50 (Prédio 1) – Xerém, Duque de Caxias, RJ, Brasil, Tel.: (21) 2679-9112, FAX.: (21) 2679-1296, rpfelix@inmetro.gov.br.
