3.2 Ultrasonido

3.2 Ultrasonido

Objetivos: Comprender como funciona nuestro sistema de adición y generación de sonido. Como el sonido se propaga, efectos que percibimos y uso que le damos.

www.gphysics.net – UACH-Física en la Odontologia–3-2-Ultrasonido Versión 06.09

Dr. Willy H. Gerber, Dr. Constantino UtrerasInstituto de Física, Universidad Austral

Valdivia, Chile

Onda de ultrasonido


Onda de ultrasonido

Ondas longitudinales y transversales

Forma de propagación dentro del medio


Longitudinal Transversal

Dilatación Compresión

Propagación

Ondas en la superficie

Forma de propagación en la superficie


Gas

De extensión

Ondas de Rayleigh Ondas de Lamb

Propagación

De doblado

Solido

Largo de onda [m]Frecuencia [s]Velocidad del sonido [m/s]

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Deformación


Propagación de una Onda

Velocidad

Deformación

Desplazamiento o amplitud [m]Presión [Pa]Dimensiones del cubo

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Presión asociada a propagación


Propagación de una Onda

Fuerza efectiva

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Presión asociada a propagación


Introducción de la impedancia

Analogía con un circuito eléctrico

Definición de la impedancia

Introducción de la velocidad del sonido

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Onda de ultrasonido


Cavitación

Comportamiento del medio


Cambio de estado en forma adiabática:

pero

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compresión compresión compresión compresión

rarificacion rarificacion rarificacion rarificacion rarificacion

Cavitación no inercial

Parámetros de la onda acústica


RadioBurbuja

Tiempo

Presion

Frecuencia propia de la burbuja (Minnaert)


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Técnicas de Diagnostico



Dar una introducción a las aplicaciones disponibles en el área de la Salud Humana:

• Ultrasonido bidimensional (ecografía bidimensional)• Ultrasonido tridimensional• Ultrasonido Doppler (varios tipos)

Ventajas:

• Usa radiación no ionizante, en tiempo real• Permite obtener imagenes de tejidos blandos (no como rx)

Objetivos


Es sonido de alta frecuencia 1 − 5 Mhz

• El sonido son ondas mecánicas. En un fluido son ondas de compresión.• Las ondas de sonido viajan en un medio material, y se reflejan (parcialmente) en las interfases entre tejidos (diferente densidad).• Las ondas reflejadas son detectadas, y amplificadas en el equipo de ultrasonido.• El equipo de ultrasonido obtiene, en realidad calcula, la imagen.• El sonido es producido/detectado por un transductor, habitualmente de material piezo eléctrico.

Que es Ultrasonido


Aquí presentamos algunos números de interés, para ’entender’ el ultrasonido. A 1 Mhz, con un flujo de 100 mW/m2 (límite establecido por la FDA de USA).

Longitud de OndaVelocidad de fase Máximo desplazamiento (partícula)Velocidad máxima (partícula) Aceleración máxima (partícula)Presión máximaPresión de radiaciónEquivalente térmico

1.5 mm1540 m/s0,0057 μm3,8 cm/s22,453×10+3g1,8 atm0,007 g/cm20,024 cal/s·cm2

Algunos Datos de Ultrasonido


Uno o más transductores, quedetectan/generan el ultrasonido, y laelectrónica asociada.• Una CPU, o Unidad Central de Procesos.Es un computador que calcula lasimágenes. También contiene una unidadde almacenamiento masivo, y fuente depoder eléctrica.• Una pantalla, para mostrar imágenes,datos y gráficos.• Controles del transductor. Permitecontrolar la intensidad, frecuencia yduración de los pulsos generados por eltransductores (o transductores).• Teclado, cursor (mouse), impresora (ahoratambién comunicación Ethernet o USB).

La maquina de Ultrasonido


• El ultrasonido (en fluidos) es una onda de presión, es decir, una perturbación de la presión, que representamos como una onda sinusoidal de frecuencia , y longitud de onda , amplitud (de presión) , k = 2/ es el número de onda.

en que c es la velocidad del sonido en el medio fluido.• Se define el concepto de impedancia acústica, Z de un medio como el producto de la velocidad de propagación en el medio multiplicada por su densidad

• en incidencia normal (perpendicular) se puede demostrar que el coeficiente de reflexión de una onda que se propaga del medio 1 al 2, es

Onda se Sonido


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Más generalmente se cumple la Ley deSnell

• el coeficiente de reflexión se generaliza a

• el Ultrasonido es sensible a la impedanciaacústica, una ecografía es un mapa deimpedancia..

Onda de Sonido


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El efecto Doppler consiste en el cambio de la frecuencia del sonido debido al movimiento de la fuente respecto al observador.

Cuando un objeto que emitesonido de frecuencia (longitudde onda ) se acerca convelocidad v hacia el observador,su longitud de onda s se acorta

Inversamente, la frecuenciaaumenta

Efecto Doppler


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El efecto Doppler permite detectar el movimiento de los glóbulos rojos de la sangre (velocidad vGR, en que vGR/c 0.001– 0, 1% de la velocidad c).

La Ultrasonografía Dopplerfunciona en base a un esquemaemisión-eco, por lo tanto hayefecto Doppler en el sonido querecibe el objeto en movimiento,como en el eco que se recibe.

La velocidad de propagación en tejidos es c = 1540 m/s

Cuando un objeto que emitesonido de frecuencia (longitudde onda ) se aleja convelocidad v de el observador, sulongitud de onda s aumenta

Inversamente, la frecuencia disminuye

Efecto Doppler


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Un transductor genera un pulso, de frecuencia , que se propaga con velocidad c hasta encontrar un objeto (velocidad v), y luego escucha el eco, al cabo de un tiempo total T

Si el objeto se acerca, bastacambiar el signo de v

La distancia entre el receptor y elobjeto es

Se puede medir la intensidad delsonido recibido, que depende dela distancia R

Qué ocurre si dirección del pulsoforma un ángulo con la velocidaddel objeto?

La frecuencia que incide en unobjeto que se aleja es

El receptor detecta un eco defrecuencia

entonces,

el cambio de frecuencia es

Efecto Doppler


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En la ecuación lo que importa esla proyección de la velocidad enla dirección del pulso, es decir, sepuede generalizar la

Esto permite obtener la velocidadde los glóbulos rojos,

Velocidad de los glóbulos rojos respecto a la dirección del haz,

(figura con ángulo incorrecto)

Efecto Doppler


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Hay varias tecnologías para sacar partido del ultrasonido Doppler• Onda continua. Usa dos transductores, uno emitiendo continuamente, y otro para escuchar en forma continua.• Detección del signo de la velocidad. El operador escucha los dos canalesdiferenciados en parlantes estéreo.• Onda pulsada. En modo B, permite el uso de la ec. (35) en conjunto con ec. (32), para obtener información de distancia, y asociar a imagen bidimensional.• Doppler-color. Se asocia color a un rango de cambios de frecuencias, los que se acoplan con una imagen bidimensional, como en la tecnología de Onda pulsada.• Doppler-potencia (modo). Detecta cambios de frecuencia, pero no indica el signo de los cambios.

Tecnologías Doppler


Tecnologías Doppler


Si T es el tiempo que tarda el pulso en hacer su viaje de ida y vuelta (Round Trip Time), y (Pulse repetition Rate) es la frecuencia asociada, , en que (R es el alcance de ’gate’, depende del detector)

La máxima frecuencia (Doppler) que se puede detectar (sin efectos deenmascaramiento -aliasing ) es (Teorema de Nyquist)

En consecuencia, la máxima velocidad (flujo) que se puede detectar es

Detalles Adicionales


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Referencias


1. C. Freuendrich. http://health.howstuffworks.com/ultrasound1.htm (How stuff works).

2. Curso de ultrasonido en MIT ( www.mit.edu, Open Courseware)3. C. Farr. Ultrasonic Probing: the wave of the future in Dentistry (Periodontics).

Dentistry Today 19, No. 3, March 2000.4. E. J. Boote. Radio Graphics 2003. Physics Tutorial for Residents (AAPM/RSNA).

Doppler Ultrasound Techniques. Concepts of Blood flow detection and flow Dynamics.

Contacto

Instituto de FísicaUniversidad Austral de Chile

Campus Isla TejaCasilla 567, Valdivia, Chile


Dr. Willy H. [email protected]

Dr. Constantino [email protected]

mailto:[email protected]

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