CONSTRUO E CARACTERIZAO DE TRANSDUTOR FOCALIZADO PARA

APLICAO EM TERAPIA ULTRASSNICA DE BAIXA INTENSIDADE

Gisele de Lima Moreira da Silva

Dissertao de Mestrado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Biomdica, COPPE, da Universidade Federal do

Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

necessrios obteno do ttulo de Mestre em

Engenharia Biomdica.

Orientador(es): Marco Antnio Von Krger

Wagner Coelho de Albuquerque

Pereira

Rio de Janeiro

Outubro de 2011

CONSTRUO E CARACTERIZAO DE TRANSDUTOR FOCALIZADO PARA

APLICAO EM TERAPIA ULTRASSNICA DE BAIXA INTENSIDADE

Gisele de Lima Moreira da Silva

DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO

LUIZ COIMBRA DE PS-GRADUAO E PESQUISA DE ENGENHARIA

(COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE

EM CINCIAS EM ENGENHARIA BIOMDICA.

Examinada por:

________________________________________________ Prof. Marco Antnio von Krger, Ph. D.

________________________________________________ Prof. Joo Carlos Machado, Ph. D.

________________________________________________ Prof. Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

OUTUBRO DE 2011

iii

Silva, Gisele de Lima Moreira da

Construo e caracterizao de transdutor focalizado

para aplicao em terapia ultrassnica de baixa

intensidade / Gisele de Lima Moreira da Silva. Rio de

Janeiro: UFRJ/COPPE, 2011.

XII, 82 p.: il.; 29,7 cm.

Orientadores: Marco Antnio von Krger

Wagner Coelho de Albuquerque

Pereira

Dissertao (mestrado) UFRJ/ COPPE/ Programa

de Engenharia Biomdica, 2011.

Referncias Bibliogrficas: 72-76.

1. Ultrassom de baixa intensidade. 2. Pseudoartrose.

3. Transdutor ultrassnico. I. Pereira, Wagner Coelho de

Albuquerque et al. II. Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Biomdica. III.

Ttulo.

iv

AGRADECIMENTOS

Ao nosso Deus Pai, Filho e Esprito Santo, pelas graas recebidas diariamente.

Ao meu pai Ernande, pelo amor incondicional, pacincia e compreenso.

A minha me e amiga Gesa, mulher que me orienta, educa e ouve sempre.

A meu irmo Giovanni, pelo carinho e exemplo de nimo, dedicao e paixo

em tudo que realiza.

A minha saudosa V Dita, pela referncia de compromisso e disciplina.

Ao meu querido namorado Dudu, por compreender e respeitar o tempo que eu

dedico ao trabalho e estudo.

Ao meu orientador, Prof. Wagner Coelho, pelas divertidas e valiosas aulas

ministradas, bem como pela oportunidade oferecida de me integrar no iluminado LUS.

Sua dinmica orientao, que perfaz a tcnica, renovada pelo cafezinho das tardes, foi

decisiva no norteamento desta dissertao.

Direciono igualmente meus agradecimentos ao Prof. Marcos Antnio von

Krger, meu outro orientador e idealizador da atual temtica, pela disponibilidade na

oficina mecnica, pela paciente ajuda nos momentos de dvida, pela colaborao na

soluo dos problemas, principalmente computacionais, enfim, pela constante doao,

at mesmo do prprio sangue, literalmente, em prol da cincia.

Ao Prof. Joo Carlos Machado, pela constante disponibilidade. Tambm

agradeo pelas minuciosas e proveitosas sugestes nos seminrios do LUS, as quais

revelam, com muita propriedade, o domnio deste conhecimento.

Agradeo ao Dr. F. Garca-Nocetti e ao Eng. M. Fuentes-Cruz por ter

desenvolvido e fornecido o gerador utilizado neste trabalho, para excitar os

transdutores.

Agradeo amvel e atenciosa amiga Mayra, pela alegria e senso de humor.

Tambm sou grata por ter realizado o levantamento dos parmetros acsticos de alguns

materiais e fornecido contribuio com o software Wave2000.

admirvel amiga Thas Omena, pelo incentivo e realizao do mapeamento

acstico no LUS.

Agradeo aos responsveis amigos Aldo e Francisco, pela gentileza no

fornecimento de material de leitura complementar e pelas mltiplas solues em

programao.

Ao INMETRO, pela realizao de mapeamento acstico de alguns transdutores.

v

Ao Tcnico de laboratrio Paulo Csar, do LTTC/PEB/IT/UFRJ, que realizou

com muita presteza a calibrao dos termopares.

Agradeo a todos da turma, em especial s amigas Alva, Fernanda Catelani,

Nrrima, Renata Paixo e Sibele, tanto pelo auxlio nas disciplinas como pelo incentivo.

Finalmente, e no menos importante, aos ex-colegas do LUS e tambm aos

atuais, Lorena, Andr, Rodrigo, Maggi, Kelly, Tarcsio, Guillermo, Isabela, Vincius,

Daniel Patterson, Daniel Alves, Caroline, Rejane, Francisco, Brulio, Ktia, Luisa,

Paulo e Thays Costa, pela amizade e pelos momentos agradveis, nas tardes

comemorativas dos aniversariantes.

vi

Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.)

CONSTRUO E CARACTERIZAO DE TRANSDUTOR FOCALIZADO PARA

APLICAO EM TERAPIA ULTRASSNICA DE BAIXA INTENSIDADE

Gisele de Lima Moreira da Silva

Outubro/2011

Orientadores: Marco Antnio von Krger

Wagner Coelho de Albuquerque Pereira

Programa: Engenharia Biomdica

O ultrassom teraputico no modo pulstil de baixa intensidade (tipicamente

ISATA=30 mW.cm-) tem sido empregado clinicamente para promover, entre outros fins,

a ossificao de pseudoartrose (no-unio ssea), pelo fato de ser a tcnica menos

invasiva e mais eficaz do que seu tratamento cirrgico convencional. No Brasil, apesar

da aprovao da Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria (ANVISA) (resoluo n

1554 do D.O.U. de 27/09/01), sua utilizao ainda restrita, por conta do alto custo do

tratamento. Em relao propagao acstica, a maioria dos estudos de aplicao desta

tecnologia utiliza transdutores ultrassnicos planos comerciais. O presente trabalho se

props a desenvolver e caracterizar transdutores ultrassnicos focalizados, para

aplicaes teraputicas de baixa intensidade (para ossificao de pseudoartrose, por

exemplo). Os transdutores construdos tiveram seus feixes acsticos mapeados, gerando

parmetros geomtricos, a citar: distncia focal de 7,83 a 34,50 mm; profundidade de

campo de 5,74 a 20,00 mm; e ASTF focal de 1,14 a 7,70 mm. Com as medidas desta

ltima caracterstica e uso de apropriados atenuadores obteve-se a ISATA focal

experimental de aproximadamente 30 mW.cm-. Quanto ao aquecimento provocado no

phantom sseo, o aumento de temperatura mximo alcanado foi de 1,34 C. Logo, foi

possvel projetar e construir transdutores de US teraputicos focalizados de baixa

intensidade. A primeira aplicao pretendida dos mesmos, futuramente, na promoo

da ossificao de pseudoartrose, em modelo animal experimental.

vii

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

CONSTRUCTION AND CHARACTERIZATION OF FOCUSED TRANSDUCER

FOR LOW-INTENSITY ULTRASONIC THERAPY

Gisele de Lima Moreira da Silva

October/2011

Advisors: Marco Antnio von Krger

Wagner Coelho de Albuquerque Pereira

Department: Biomedical Engineering

The therapeutic ultrasound in low-intensity pulsed mode (ISATA = 30 mW.cm-)

has been used clinically to promote, among other purposes, the ossification of

pseudoarthrosis (bone non-union), due to the fact that the technique is less invasive and

more effective than its surgical standard treatment. In Brazil, despite the approval of the

National Health Surveillance Agency (ANVISA) (resolution n 1554 of the D.O.U. of

27/9/01), its use is still restricted, due to the high cost of treatment. Concerning the

acoustical propagation, most studies use plane ultrasonic transducers to apply this

therapy. The present work proposes the development and characterization of ultrasonic

focused transducers for low-intensity therapy. The built transducers had their acoustic

beam mapped, obtaining the geometrical parameters, as follows: focal distance from

7.83 to 34.50 mm; depth of field from 5.74 to 20.00 mm; and focal ASTF from 1.14 to

7.70 mm. Using this last parameter (ASTF) and the adequate signal attenuators, it was

obtained an experimental focal Intensity ISATA of approximately 30 mW.cm-

. As to the

heating caused on the bone phantom, the maximum temperature rise achieved was

1.34 C. So, it was possible to design and build low-intensity ultrasonic focused

therapeutic transducers. The first envisaged application is to promote the ossification of

pseudoarthrosis, in experimental animal model.

viii

SUMRIO

Captulo I INTRODUO ........................................................................................... 1

I.1 OBJETIVO................................................................................................................2

Captulo II - REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................. 3

II.1 - RECUPERAO DA FRATURA SSEA ............................................................. 3

II.1.1 - Composio e caracterizao do tecido sseo.......................................................3

II.1.2 - Regulao da recuperao da fratura ssea......................... .................................4

II.1.2.1 - Introduo ......................................................................................................... .4

II.1.2.2 - Contribuio de diferentes reas espaciais na recuperao da fratura............4

II.1.2.3 - Os cinco estgios temporais de recuperao da fratura .................................... 5

II.2 - ALTERAO DA REGENERAO SSEA E PSEUDOARTROSE ................ 5

II.3 - TRATAMENTOS PARA PSEUDOARTROSE ...................................................... 6

II.3.1 - Tratamento da pseudoartrose com terapia ultrassnica de baixa intensidade.......7

II.3.2 - Estudos experimentos e clnicos do ultrassom de baixa intensidade na

pseudoartrose.....................................................................................................................8

II.3.3 Transdutores de US de baixa intensidade para recuperao ssea.....................10

II.3.4 - Mecanismos de ao do US de baixa intensidade em pseudoartrose..................12

III FUNDAMENTAO TERICA

III.1 - CONSTRUO DO TRANSDUTOR DE US TERAPUTICO DE BAIXA

INTENSIDADE...............................................................................................................15

III.1.1 - Elementos do US teraputico focalizado de baixa intensidade..........................15

III.1.1.1 Gerador do sinal de excitao........................................................................15

III.1.1.2 Transdutor......................................................................................................16

III.1.1.2.1 Elemento piezoeltrico................................................................................16

III.1.2 - Principais mecanismos de focalizao...............................................................19

III.1.2.1 - Lentes acsticas e a Lei de Snell.....................................................................21

III.1.2.1.1 Lentes cnicas..............................................................................................23

III.1.2.1.2 Lente esfrica...............................................................................................23

III.1.3 Caractersticas do feixe ultrassnico.................................................................24

III.1.3.1 Transmisso do ultrassom..............................................................................24

III.1.3.2 Intensidade do feixe acstico...........................................................................25

ix

III.1.3.3 Interaes do US com os tecidos biolgicos..................................................27

III.1.4 Impedncia eltrica............................................................................................27

III.1.4.1 Modelo eltrico da cermica..........................................................................28

III.1.4.2 Analisador da impedncia eltrica da cermica............................................29

III.1.4.3 Compatibilizao eltrica...............................................................................30

III.1.5 Impedncia acstica...........................................................................................30

III.1.5.1 Compatibilizao acstica.............................................................................30

III.2 CARACTERIZAO DO CAMPO ACSTICO...............................................31

III.2.1 Hidrofone...........................................................................................................31

III.2.2 Balana de radiao e a medio da potncia acstica......................................32

III.2.3 Mapeamento Trmico........................................................................................33

III.2.3.1 Utilizao do termopar.................................................................................. 34

Captulo IV - MATERIAIS E MTODOS ................................................................... 35

IV.1 INTRODUO....................................................................................................35

IV.2 CARACTERIZAO DA CERMICA.............................................................35

IV.3 MONTAGEM DOS TRANSDUTORES ULTRASSNICOS TERAPUTICOS

FOCALIZADOS..................................................................................................36

IV.3.1 Transdutor com cermica tipo PZT-5A.............................................................36

IV.3.1.1 Modelo terico das lentes...............................................................................37

IV.3.1.2 Construo das lentes acsticas.....................................................................39

IV.3.2 Transdutores com cermicas tipo PZT-YJ........................................................41

IV.4 MAPEAMENTO ACSTICO.............................................................................44

IV.4.1 Montagem e realizao do mapeamento do campo acstico no

LUS/PEB/COPPE/UFRJ...................................................................................44

IV.4.2 Sistema de varredura do feixe acstico do LABUS INMETRO....................46

IV.4.3 Simulao no Programa Wave2000................................................................46

IV.5 QUANTIFICAO DA POTNCIA ACSTICA.............................................47

IV.5.1 Montagem experimental....................................................................................47

IV.5.2 Gerador de sinal eltrico programado para pseudoartrose................................48

IV.6 AVALIAO DO CAMPO TRMICO.............................................................49

IV.6.1 Constituintes da montagem experimental.........................................................49

IV.6.1.1 Elaborao do termopares.............................................................................50

IV.6.2 Montagem experimental....................................................................................50

x

Captulo V RESULTADOS........................................................................................54

V.1 MONTAGEM DO TRANSDUTOR.....................................................................54

V.2 MEDIO DA IMPEDNCIA ELTRICA......................................................55

V.3 MAPEAMENTO DO CAMPO ACSTICO........................................................56

V.4 QUANTIFICAO DA POTNCIA ACSTICA..............................................61

V.5 AVALIAO DO CAMPO TRMICO...............................................................64

Captulo VI DISCUSSO ........................................................................................... 66

Captulo VII CONCLUSO ....................................................................................... 71

Captulo VIII - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................... 72

Captulo IX APNDICE.. ........................................................................................... 77

xi

LISTA DE SMBOLOS

ANVISA Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria

ASTF rea de Seco Transversa do Feixe

ASTF no foco rea de Seco Transversa do Feixe no foco

BNC Conector para cabo coaxial

BNR Taxa de no-uniformidade do feixe

c velocidade de propagao do som

1c velocidade do som no primeiro meio

2c velocidade do som no segundo meio

C Cncavo

C1 Capacitncia srie na ressonncia

Co Capacitncia eltrica intrnseca da cermica

COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Ps-Graduao e Pesquisa de

Engenharia

CP Cncavo-Plano

CP-YJ Cncavo-Plano-YJ

CV Coeficiente de Variao

CX Cncavo-Convexo

CX-5A Cncavo-Convexo-5A

CX-YJ Cncavo-Convexo-YJ

C-YJ Cncavo-YJ

DP Desvio-Padro

EMF Campo Eletromagntico

EUA Estados Unidos da Amrica

far frequncia antirressonncia

FDA Food and Drug Administration

fr frequncia de ressonncia

FRP Frequncia de Repetio do Pulso

IEC Comisso Eletromecnica Internacional

IIMAS Instituto de Investigaes em Matemticas Aplicadas e Sistemas

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

xii

ISATA Intensidade mdia espacial mdia temporal

ISATA focal Intensidade mdia espacial mdia temporal focal

Kef Coeficiente de acoplamento eletromecnico

L1 Indutncia srie na ressonncia

LABUS Laboratrio de Ultrassom

LTTC Laboratrio de Transmisso e Tecnologia do Calor

LUS Laboratrio de Ultrassom

NBR Norma Brasileira

PEB Programa de Engenharia Biomdica

PVC Polivinil Acrlico

PVDF Polivinylidene difluoride

PZT Titanato Zirconato de Chumbo

Q Fator de qualidade

R1 Impedncia eltrica na frequncia de ressonncia

RLC Resistor Indutor Capacitor

RTV Room Temperature Vulcanization

UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro

US Ultrassom

USA United States of America

Z Impedncia eltrica

Za Impedncia acstica

Zar Impedncia eltrica na frequncia de anti-ressonncia

Zpf Impedncia eltrica no pico da fase

Zr Impedncia eltrica na frequncia de ressonncia

T Variao de Temperatura

i ngulo entre a onda incidente e a normal

t ngulo entre a onda transmitida e a normal

Densidade

1

CAPTULO I

INTRODUO

O ultrassom uma onda mecnica que se propaga com uma frequncia mais

elevada do que o limite audvel humano (ou seja, acima de 20 kHz). Apresenta diversas

aplicaes na rea mdica, incluindo diagnstico, cirurgia e terapia (SISKA et al., 2008).

Dentre seus usos teraputicos, o ultrassom (US) no modo pulstil de baixa

intensidade ( 30mW.cm-

Um estudo de incidncia da pseudoartrose, realizado na dcada de 90, apresenta

uma ocorrncia em torno de 5 a 10 % dos milhes de fraturas anuais (EINHORN, 1995).

Seu tratamento cirrgico (convencional) tem sido gradualmente substitudo por esta tcnica

de ultrassom pulstil de baixa intensidade que apresenta a vantagem de ser menos invasiva

e mais eficaz (SISKA et al., 2008).

) apresenta diversas aplicaes, a citar, induo de apoptose

celular, regulao da expresso gnica em clula-alvo e terapia sonodinmica, ou seja,

efeitos sinergticos do US em combinao com antibiticos, drogas anticancergenas e

outros agentes. Em leso de tecido mole, esta modalidade teraputica ativa fibroblastos,

resultando em sntese de colgeno e consequente debridamento da ferida (FERIL et al,

2008). Em desordens sseas, esta tecnologia tem promovido, entre outras aes, a

ossificao de pseudoartrose (no-unio ssea), motivao primeira para o

desenvolvimento desta dissertao.

A explicao mais aceita para a atuao desta terapia na promoo da consolidao

ssea est embasada na semelhana da natureza mecnica do US de baixa intensidade, com

o processo natural de cura da fratura, a qual se beneficia fisiologicamente de fora

micromecnica (DUARTE, 1983).

Seu uso clnico foi pioneiramente relatado em estudo brasileiro, com um ndice de

sucesso de 64 % em uma srie de 28 fraturas no consolidadas (DUARTE, 1983). Aos

poucos esta tecnologia foi se expandindo para outros continentes, tornando-se hoje uma

realidade teraputica nos EUA, Japo e em vrios pases da Europa. No Brasil, apesar da

aprovao da Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria (ANVISA) (resoluo n 1554 do

D.O.U. de 27/09/01), sua utilizao ainda restrita, por conta do alto custo do tratamento.

2

A maioria dos estudos desta terapia em recuperao ssea fez uso de equipamentos

comerciais dotados de transdutores ultrassnicos planos. No presente trabalho, com o

intuito de promover irradiao localizada, foi empregado um prottipo de equipamento para

o qual foram desenvolvidos transdutores ultrassnicos dotados de lentes acsticas capazes

de focalizar a irradiao na rea da fratura. Este trabalho visa contribuir para atender, a

mdio prazo, a demanda para este uso do ultrassom.

I.1 OBJETIVO

Desenvolvimento de transdutor focalizado e caracterizao acstica e trmica do

feixe emitido, para aplicao em terapia ultrassnica de baixa intensidade.

3

CAPTULO II

REVISO BIBLIOGRFICA

Neste captulo apresentada uma reviso bibliogrfica, de forma sintetizada, dos

aspectos metablicos relacionados com a recuperao da fratura ssea, bem como dos

tratamentos disponveis para combater o atraso na restaurao ssea. Alm disso, sero

abordados os estudos comprobatrios da utilizao da tcnica de US de baixa intensidade

em pseudoartrose e os diversos tipos de transdutores utilizados.

II.1 - RECUPERAO DA FRATURA SSEA

II.1.1 - Composio e caracterizao do tecido sseo

O tecido sseo constitudo por uma matriz rgida - formada basicamente por fibras

de colgeno e sais de clcio e de fsforo e por vrios tipos de clulas: osteoblastos

(produzem a matriz), ostecitos (osteoblastos adultos com baixa atividade metablica) e

osteoclastos (participam da reabsoro ssea secretando algumas enzimas, como a

colagenase).

Anatomicamente, a estrutura ssea composta por dois tipos de osso: cortical e

trabecular. O osso cortical compacto, com ndice de porosidade de 5% a 10%,

praticamente sem medula e encontrado principalmente na extenso dos ossos longos.

Revestindo o osso cortical encontra-se o peristeo, uma membrana que contm

osteoblastos em sua face interna.

O osso trabecular menos denso, possui porosidade de 50% a 90% e encontrado

interiormente nas extremidades dos ossos (JUNQUEIRA e CARNEIRO, 1990).

4

II.1.2 - Regulao da recuperao da fratura ssea

II.1.2.1 - Introduo

Quando uma fratura ocorre, o osso tem um mecanismo prprio de regulao da sua

recuperao (CLAES e WILLIE, 2007). A regenerao de um osso fraturado envolve aes

para restaurar sua integridade estrutural, coordenadas no tempo e no espao, por parte de

diferentes tipos de clulas, atravs de protenas expressas por centenas de genes

(MALIZOS et al., 2006).

Em termos histolgicos clssicos, a recuperao da fratura tem sido dividida em

recuperao direta da fratura (primria) e indireta (secundria).

A recuperao primria ocorre quando a fratura reduzida, em escala micromtrica,

no espao presente entre os fragmentos. Isto exige alta estabilidade local e, na prtica, um

tipo rarssimo. Mais comumente ocorre a recuperao secundria ou indireta da fratura, em

que uma grande massa de calo criada. Este tipo de recuperao beneficia-se de

micromovimentos (PHILLIPS, 2005). A descrio da recuperao da fratura nesta seo

refere-se esta ltima, recuperao secundria da fratura.

II.1.2.2 - Contribuio de diferentes reas espaciais na recuperao da fratura

A regenerao da fratura no homognea no calo. As 4 principais zonas de

recuperao ssea so o canal medular, a rea cortical, a membrana periosteal e o tecido

mole circundante. Essencialmente, o canal medular e reas corticais criam, na fase inicial, o

calo mole (cartilagem), indo posteriormente criar osso pela ossificao endocondral. Na

rea periosteal, mais distante do local da fratura, e no tecido mole externo forma-se o calo

rgido pela ossificao intramembranosa. Logo, esse ltimo tipo de ossificao envolve a

formao diretamente de osso, sem primeiro formar cartilagem (PHILLIPS, 2005).

5

II.1.2.3 - Os 5 estgios temporais de recuperao da fratura

Alm das 4 divises espaciais da recuperao da fratura, existem 3 fases

temporais. Em ordem cronolgica, elas so: fase inflamatria (com formao de

hematoma), fase reparativa (onde ocorrem angiognese, formao de cartilagem - com

consequente calcificao - remoo da cartilagem e formao ssea) e fase de

remodelagem ssea (PHILLIPS, 2005).

A fase inflamatria comea com o rompimento de vasos sanguneos da leso e a

formao de um hematoma. Clulas inflamatrias invadem o hematoma e iniciam a

degradao lisossomal de tecido necrtico (DUTTON, 2010).

A fase reparativa comea no 4 ou 5 dia aps a fratura. Clulas mesenquimais

pluripotentes invadem a rea e diferenciam-se em condroblastos (sintetizam e secretam

matriz cartilaginosa). Estas clulas so responsveis pela formao de uma ponte conhecida

como calo mole, calo primrio ou provisrio, que rodeia o local da fratura, estabilizando-a.

Uma vez estabilizada, a cartilagem se submete hipertrofia e mineralizao. Assim que a

vasculatura inicia a invaso, os condrcitos hipertrficos calcificantes vo sendo removidos

pelos condroclastos, promovendo a formao da trama ssea. Gradativamente, o calo mole

substitudo por esta trama ssea preenchida por medula. Isto resulta na formao de calo

secundrio ou definitivo e consolidao da fratura clinicamente (DUTTON, 2010).

O passo final no processo de recuperao da fratura o estgio de remodelagem,

que pode continuar por vrios anos seguidos fratura (DUTTON, 2010). A descarga de

peso e outros estmulos mecnicos determinam a remodelagem deste calo sseo, fazendo

com que o tecido sseo primrio seja reabsorvido por osteoclastos e substitudo por tecido

sseo lamelar, formado por osteoblastos (JUNQUEIRA e CARNEIRO, 1990).

II.2 - ALTERAO DA REGENERAO SSEA E PSEUDOARTROSE

A pseudoartrose se define pela persistncia de uma no-unio ssea por mais de

nove meses ps-fratura (ROMANO et al., 2009) e que, provavelmente, s se recuperar

com interveno (MANDT e GERSHUNI, 1987).

6

A falncia de unio da superfcie ssea fraturada estabelece a formao de um

tecido fibroso e fibro-cartilaginoso, com lquido sinovial entre as extremidades da fratura

(HIETANIEMI et al., 1996, FERREIRA et al., 2010), permanecendo na fase reparativa da

recuperao de fratura (CLAES e WILLIE, 2007).

Qualquer fator que diminui o suprimento sanguneo ou oxigenao no local da

fratura, como a severidade da leso, fumo, problemas circulatrios ou diabetes, ir

potencialmente suprimir a resposta da recuperao. Idade avanada, hormnios e outros

fatores sistmicos tambm tm sido associados com retardo da recuperao da fratura

(SMITH e WRIGHT, 1999).

II.3 - TRATAMENTOS PARA PSEUDOARTROSE

As condies timas para a recuperao da no-unio so, portanto, prover uma

suficiente estabilidade da fratura (por mecanismo conservador ou cirrgico) e garantir uma

rica vascularizao. Interveno cirrgica, com objetivo de remover tecido mole

interferindo entre os segmentos sseos e prover estabilizao com equipamentos de fixao

externa ou interna (acompanhado por preenchimento sseo ou no), o padro-ouro para o

tratamento de pseudoartrose (WEBER e CECH, 1976 apud NOLTE et al., 2001).

Dependendo da localizao da no-unio, a literatura registra uma taxa de sucesso para o 1

procedimento cirrgico de 70% a 96%. Contudo, apresenta taxas declinantes de

recuperao para procedimentos invasivos subsequentes (GEBAUER et al., 2005). Alm

disso, esta necessidade de outros procedimentos cirrgicos prolonga a dor, o sofrimento e o

prejuzo funcional do paciente, enquanto aumenta o custo para o sistema de sade.

Com objetivo de reduzir o custo scio-econmico e alcanar uma taxa de cura

similar quela da cirurgia, vrios mtodos de tratamento para pseudoartrose tm sido

sugeridos nos ltimos anos. Estas propostas incluem estimulao mecnica e estimulao

eltrica. A primeira pode ser desencadeada pelas ondas acsticas do ultrassom pulstil de

baixa intensidade e pela terapia extracorprea por ondas de choque (GEBAUER et al.,

2005). A segunda pode ser induzida por corrente direta (usando eletrodos implantados)

(BRIGHTON et al., 1981), campo eletromagntico (EMF) (no invasivo) (LIRANI e

7

CASTRO, 2005) e acoplamento capacitivo (usando eletrodos localizados sobre a pele)

(SCOTT e KING, 1994).

As desvantagens dos estimuladores eltricos so a escassez de conhecimento sobre

sua eficcia e o fato de frequentemente requererem admisso ao hospital, aumentando a

morbidade e o custo ao sistema de sade (SISKA et al., 2008).

A terapia por ondas de choque tem sido usada no tratamento de no-unio com a

premissa de que estas ondas de alta-energia causam microfraturas na trabcula, e por meio

disto destroem o tecido, estimulando o processo reparativo para promover a unio ssea.

Entretanto, a aplicao desta terapia questionvel porque provoca dor e, portanto, requer

o uso de anestesia e frequentes admisses no hospital, aps o tratamento (ROMPE et al.,

2001).

Dentre as modalidades no invasivas mencionadas, a terapia ultrassnica de baixa

intensidade para estimular a recuperao da pseudoartrose tem emergido como um

tratamento seguro e de melhor aceitao.

II.3.1 - Tratamento da pseudoartrose com terapia ultrassnica de baixa intensidade

Este tipo de terapia aplicado pelo prprio paciente em seu ambiente domiciliar,

aps ser apropriadamente instrudo para o correto posicionamento do aparelho (20 min por

dia, em mdia). No h relatos de desconforto, sendo, portanto, administrado sem a

necessidade de admisso em hospital, anestesia ou procedimentos cirrgicos adicionais

(SISKA et al., 2008). Em estudo realizado na dcada de 90, esta terapia apresentou

resultados similares queles de interveno cirrgica, sem os riscos associados e uma

economia de aproximadamente US$ 13.000 at 15.000, por caso (HECHMAN E

SARASOLM-KALM, 1997). Como o equipamento custa alguns milhares de dlares, estas

unidades de ultrassom so mais alugadas do que compradas pelas clnicas. Aps o

tratamento, estes aparelhos retornam ao fabricante para calibrao (WARDEN et al., 2000).

O Brasil o bero destas investigaes, que se iniciaram na dcada de 70, com o

Prof. Luiz Romariz Duarte, da EESC-USP (ROMANO et al., 2009).

8

Esta modalidade teraputica tem a indicao para tratar, entre outras desordens

sseas, pseudoartrose em todo esqueleto (com exceo em coluna vertebral e crnio),

mesmo na presena de qualquer dispositivo para imobilizao da fratura (gesso, splint ou

osteossntese metlica interna ou externa) (BRUETON et al., 1987 apud WARDEN et al.,

2000). Por outro lado, contra-indicada em paciente pseudoartrtico com fraturas

instveis, perda ssea maior que 15 mm, deformidade axial, grandes defeitos no tecido

mole, presena de marcapasso e idade infantil (pois o efeito desta terapia em osso imaturo

desconhecido) (ROMANO et al., 2009).

A tecnologia foi aprovada pela FDA (Food and Drug Administration) (EUA) em

1994, para uso em determinados tipos de fraturas recentes e em 2000 para o tratamento de

fraturas com no unio (pseudoartrose) (ROMANO et al., 2009). A tcnica hoje uma

realidade clnica nos EUA, Japo e vrios pases da Europa. No Brasil, o Ministrio da

Sade, atravs da ANVISA, aprovou em 2001 o uso da tecnologia (resoluo n 1554 do

D.O.U. de 27/09/01).

Esta terapia considerada segura para o paciente, uma vez que sua baixa

intensidade de aplicao est abaixo do limite de intensidade usado para procedimentos de

diagnstico ultrassnico (1 at 50 mW.cm-

), considerado de natureza no trmica e no

destrutiva (DUARTE, 1983). A baixa intensidade mdia somada baixa taxa de no

uniformidade do feixe acstico (BNR razo entre o pico espacial e a intensidade mdia

espacial do feixe de US - IEC 61689, 2007) possibilita a aplicao desta terapia com o

transdutor esttico sobre o local da fratura, sem o risco de elevar substancialmente a

temperatura do tecido. Isto exclui a necessidade de movimentar continuamente o

transdutor, como requerido para o tratamento com US de fisioterapia.

II.3.2 - Estudos experimentais e clnicos do ultrassom de baixa intensidade na

pseudoartrose

Historicamente, locais de fratura eram absolutamente considerados contra-indicados

para o uso do ultrassom teraputico, pois os primeiros estudos com animais mostravam que

tratamento com ultrassom atrasava ou mesmo danificava a recuperao ssea (BUSSE et

9

al., 2002). Em um destes estudos, MAINTZ (1950 apud BUSSE et al., 2002) mostrou, aps

tratamento com ultrassom em fratura radial de coelho, que houve reduo da formao de

calo em intensidades maiores (500, 1000, 1500 e 2500 mW.cm-

Nas ltimas dcadas, entretanto, vrios trabalhos tem demonstrado que o efeito

benfico do ultrassom teraputico na recuperao ssea ditado pela intensidade usada

(BUSSE et al., 2002).

).

Um deles o artigo de TAKIKAWA et al. (2001) que, usando um modelo de rato

de no-unio por interposio de msculos na tbia fraturada de ambos os membros,

mostrou que 50% dos ossos que foram expostos ao tratamento do ultrassom se recuperaram

na avaliao radiolgica de semanas, enquanto todas as tbias controle permaneceram no-

unidas. Assim, o ultrassom pulstil de baixa intensidade tem sido confirmado como

acelerador do processo de recuperao da fratura em vrios experimentos com modelo

animal.

O uso clnico da terapia de ultrassom pulsado de baixa intensidade foi relatado pela

primeira vez em estudo brasileiro, com um ndice de sucesso de 64% em uma srie de 28

fraturas no consolidadas (XAVIER e DUARTE, 1983).

FRANKEL (1998 apud COLLUCI, 2002) avaliou o ndice de sucesso em fraturas

no consolidadas em diversos locais do osso e relatou um ndice de 70% no mero, 86% no

fmur, 81% no metatarso, 96% no rdio, 86% no escafide e 83% na tbia. Relatou tambm

que o tempo de cura variou de 118 dias para o rdio at 173 dias, para o mero.

Nos Estados Unidos, em um estudo de fratura no consolidada de tbia (FRANKEL

et al., 1999 apud COLLUCI, 2002) foi relatado o ndice mdio de recuperao de 174

fraturas no consolidadas de tbia e tbia/fbula, com uma mdia de 2,2 procedimentos

cirrgicos com insucesso, e uma idade mdia da fratura de 23 meses desde o trauma inicial.

O subconjunto de 131 fraturas no consolidadas de tbia apresentou um ndice de sucesso

de 84% e as fraturas no consolidadas de tbia/fbula um ndice de 81%.

HEPPENSTALL et al. (1999 apud COLLUCI, 2002) comunicaram um ndice de

sucesso de 82% em 429 pseudoartroses com uma idade mdia de fratura de 658 dias (1,8

ano). A cura de uma fratura no consolidada foi alcanada aps 168 dias em mdia.

Duarte e co-trabalhadores registraram uma taxa de 85% de recuperao de 385 no-

unies (DUARTE et al., 1996 apud COLLUCI, 2002). Resultados similares foram

10

registrados por MAYR et al. (2002), NOLTE et al. (2001) e por GEBAUER et al. (2005)

com uma taxa de 86% de recuperao e excluso da necessidade de outras operaes

cirrgicas.

Alm disso, ultrassom de baixa intensidade tem sido mostrado ser efetivo, mesmo

na presena de no-unies spticas (ROMANO et al, 2009).

Quanto segurana, os estudos disponveis no registraram qualquer efeito adverso

ou complicaes biolgicas decorrentes do uso desta terapia.

II.3.3 Transdutores de US de baixa intensidade para recuperao ssea

Um dos primeiros transdutores ultrassnicos construdos com baixa emisso de

intensidade foi apresentado por Duarte (1983), o qual montou dois transdutores com

especificaes distintas para serem aplicados em ossos (fbula e fmur) osteotomizados de

coelhos, visando acelerar a reparao das fraturas. Em um transdutor utilizou disco de

quartzo de 8 mm de dimetro com frequncia fundamental de 4,93 MHz, em outro

empregou Titanato Zirconato tipo PZT-4 de 20 mm de dimetro. Ambos foram excitados

com uma amplitude de 70 Vpp, largura de pulso de 0,5 s e taxa de repetio de pulso de

1000 Hz, por 15 minutos dirios. Diante desta estimulao o transdutor PZT-4 emitiu

intensidade de 49,6 mW.cm- e para o transdutor de quartzo foi 57 mW.cm-

Os demais subsequentes transdutores utilizados para recuperao ssea, tanto nos

estudos experimentais em animais como clnicos foram adquiridos, e no construdos, por

empresas comerciais, basicamente da marca EXOGEN (EUA e EUROPA) e Morgan

(EUA). Estes achados revelam apenas que os transdutores emitem baixa ISATA de 30

mW.cm

. O resultado

mostrou que o US induziu crescimento sseo na regio osteotomizada.

- e so planos, sem mais especificaes, como tipo e dimenso da cermica. Por

sua vez, todos os trabalhos so unnimes quanto a descrio dos parmetros de excitao

eltrica: envia salva de senides no modo pulsado na frequncia central de 1,0 MHz a 1,5

MHz, frequncia de repetio de pulso de 1 kHz e largura do pulso de 200 s (CLAES e

WILLIE, 2007).

11

Em todos os estudos clnicos mencionados no tpico anterior (II.3.2), o transdutor

de US de baixa intensidade foi aplicado de forma transcutnea, ou seja, com cabeote do

transdutor sobre a pele. Entretanto, o tecido mole em torno de alguns ossos longos resulta

em alta atenuao da propagao da onda de US, devido, entre outros fatores, a absoro

acstica que proporcional espessura tecidual. PROTOPAPPAS et al. (2005) realizaram

as primeiras aplicaes experimentais trans-ssea do US (diretamente sobre a osteotomia

ssea), resultando em acelerao da recuperao do processo de fratura ssea. Porm, os

autores afirmam que mais investigao necessria para estabelecer segurana e eficcia da

tcnica.

Apesar dos benefcios observados com o US de baixa intensidade, o alto custo do

tratamento levou alguns autores (WARDEN et al., 2006) a utilizar unidades convencionais

de US teraputico (Tabela II.1), em sua menor ISATA (0,1 W.cm-2

Tabela II.1 Comparao das especificaes tcnicas do US de baixa intensidade com o US teraputico convencional

) para acelerar o reparo de

fratura ssea. Aps 40 dias de tratamento, em modelo animal, as fraturas tratadas com

transdutor teraputico convencional ativo tiveram significativamente maior massa ssea no

local da fratura do que fraturas tratadas com transdutor convencional inativo. Apesar dos

resultados promissores deste achado, os autores ressaltaram que h necessidade de

desenvolver experimentos clnicos com estas unidades de US convencional, e que as

mesmas sejam regularmente calibradas para assegurar preciso da potncia de sada, a fim

de garantir uma adequada ISATA.

___________________________________________________________________

Parmetros US de baixa intensidade US convencional

___________________________________________________________________

rea de radiao efetiva (cm) 3,88 5,00

Taxa de no-uniformidade do feixe 2,16

12

II.3.4 - Mecanismos de ao do US de baixa intensidade em pseudoartrose

O principal mecanismo de atuao do ultrassom de baixa intensidade para

promoo da recuperao da pseudoartrose est embasado no fenmeno da

piezoeletricidade. A estrutura do colgeno sseo preenche as caractersticas de material

piezeltrico, que sob deformao mecnica, produz uma polaridade no fluido intersticial do

osso, contribuindo para o aumento do transporte de nutrientes e metablitos (LIRANI e

CASTRO, 2005).

O primeiro relato das propriedades piezeltricas do osso foi feito por Fukada e

Yasuda (1957 apud LIRANI e CASTRO, 2005) quando constataram que o osso humano

produziu, sob ao de uma carga mecnica, uma polarizao eltrica, convertendo ento, a

energia mecnica em energia eltrica. Este achado seguiu os princpios da Lei de Wolff,

proposta em 1892 (quando um osso submetido a um estmulo mecnico de compresso e

tenso determinar adaptao ssea) (RUBIN et al. 2001). Como a recuperao secundria

ssea se beneficia de fora micromecnica, desde a descoberta da piezoeletricidade do osso

preconizou-se o uso do ultrassom pulstil de baixa-intensidade para acelerar o reparo sseo,

com base na semelhana do mesmo com o processo natural de cura das fraturas (DUARTE,

1983).

Vrios dados clnicos e experimentais tm provado que o metabolismo do tecido

sseo sensitivo fora micromecnica induzida pelas ondas de presso acstica do US de

baixa intensidade. Essas ondas de presso geradas pelo US podem mediar a atividade

biolgica diretamente pela deformao mecnica da membrana celular ou, indiretamente,

pelo efeito eltrico causado por esta deformao (ROMANO et al., 2009).

Pelo mecanismo direto, esta deformao mecnica celular produzida estimula o

movimento do fluido intersticial no osso, contribuindo para o aumento do transporte de

nutrientes e metablitos (RUBIN et al., 1996 apud LIRANI e CASTRO, 2005) e

consequentemente habilita a atividade ssea. Em interfaces de diferentes densidades, como

superfcie do calo sseo, muito da energia de radiao incidente ser refletida, resultando

em complexo gradiente de presso acstica atravs do tecido sseo (KAMAKURA et al.,

1995). este gradiente que cria um fluxo extracelular de fluido atravs dos ostecitos.

13

Existe ainda evidncia demonstrando que fluxo do fluido em canalculo e lacuna do

osso responsvel por transduo do sinal mecnico em resposta qumica nas clulas

sseas (DUNCAN e HUSKA, 1994). Mecanoreceptores convertem estmulo biofsico em

respostas bioqumicas que alteram a expresso gnica e adaptao celular (RUTTEN et al.,

2008).

Por outro lado, o efeito indireto do US no metabolismo sseo, registrado por

DUARTE (1983), especifica que o US pulsado atinge o tecido sseo por uma sucesso de

impulsos mecnicos, cada um deles resultando em um sinal eltrico como resposta do osso.

Este campo eltrico provoca alteraes nos canais ativos da membrana celular com uma

consequente intensificao do metabolismo sseo. H evidncias de que o potencial

eltrico gerado endogenamente age como um sistema de controle para a remodelagem do

osso, que responde com ativao dos osteoblastos, quando so gerados potenciais

negativos, e com ativao dos osteoclastos, quando so gerados potenciais positivos

(CHARMAN, 1990).

Mesmo que a energia usada pelo tratamento do US de baixa intensidade seja pouca,

os efeitos so evidentes. Culturas de clulas e pesquisa em fraturas experimentais em

modelos animais tm demonstrado mudanas na liberao de citocina (LI et al, 2003) e um

pico do clcio celular (RUBIN et al, 2001).

Um nmero de genes so expressos em resposta ao US de baixa intensidade e os

produtos destes genes parecem realizar uma funo chave na formao do calo e

estabilidade (ROMANO et al., 2009). Por exemplo, condrcitos cultivados regulam a

expresso do gene aggrecan, quando exposto ao US de baixa intensidade. O aumento da

expresso do gene aggrecan foi correlacionado com um aumento na fora torsional dos

calos tratados com US (WU et al., 1996).

Alm da ativao e expresso gnica, o US de baixa intensidade pode modificar a

atividade dos produtos dos genes no local da fratura. Uma dessas constataes que

mesmo em pequeno aumento de temperatura (

14

Logo, dados da cincia bsica demonstram que US tem uma forte influncia

positiva em cada um dos trs estgios-chave do processo de recuperao (inflamao,

reparo e remodelagem) porque estimula atividade angiognica, condrognica e osteognica

(RUBIN et al, 2001).

15

CAPTULO III

FUNDAMENTAO TERICA

Neste captulo so descritos os fundamentos tericos necessrios para uma melhor

compreenso do mecanismo processual de construo e caracterizao de um transdutor

ultrassnico teraputico focalizado. Dentre esses conceitos apresentado a

piezoeletricidade da cermica, parmetros acsticos e mapeamento trmico.

III.1 CONSTRUO DO TRANSDUTOR DE US TERAPUTICO DE BAIXA

INTENSIDADE

O uso do US na rea da sade se estende desde o diagnstico terapia. A cada

aplicao corresponde um tipo especfico de transdutor e eletrnica associada. Como o

presente trabalho se situa na rea de terapia, os transdutores e circuitos eletrnicos aqui

abordados so voltados para este tipo de aplicao. Um equipamento de US teraputico

consiste fundamentalmente de dois componentes: um gerador do sinal de excitao que

opera com frequncia na faixa de 1 a 3 MHz e o transdutor comumente chamado de

cabeote aplicador que se conecta ao gerador por meio de um cabo eltrico.

III.1.1 Elementos do US teraputico focalizado de baixa intensidade

III.1.1.1 - Gerador do sinal de excitao

O gerador de sinal de excitao consiste de um circuito eltrico formado por: a) um

oscilador que opera na faixa de frequncia de interesse (ressonncia do transdutor); b) um

circuito modulador que por chaveamento sintetiza tanto um sinal contnuo quanto

intermitente, com durao e intervalos ajustveis; c) um amplificador de potncia que eleva

a potncia deste sinal a nveis capazes de excitar o transdutor de forma que este gere um

16

campo acstico com a intensidade em nveis desejados; d) e um circuito para casamento de

impedncia eltrica.

III.1.1.2 Transdutor

O transdutor o componente fundamental de um equipamento de US aplicado

fisioterapia, e sua funo converter energia eltrica em energia mecnica e entreg-la ao

meio a ser irradiado. Dentre os vrios tipos existentes, o piezeltrico o mais comumente

encontrado para aplicaes de ultrassom em medicina. (FISH, 1999). Este transdutor

consiste basicamente do elemento piezeltrico (normalmente uma cermica), a camada de

acoplamento, a camada de retaguarda, a sua conexo eltrica ao gerador, e seu

encapsulamento.

III.1.1.2.1 Elemento piezeltrico

A palavra piezoeletricidade vem do grego e significa eletricidade pela presso.

um fenmeno associado a presena de dipolos eltricos preferencialmente orientados

(polarizao) dentro de um material e que se deformam quando a ele aplicada uma certa

tenso mecnica (presso). Esta deformao gera um campo eltrico capaz de movimentar

cargas eltricas livres presentes nos eletrodos depositados em sua superfcie. O processo

inverso tambm ocorre, quando aplicado um campo eltrico entre os eletrodos

depositados na superfcie do material piezoeltrico a sua estrutura formada por dipolos

eltricos em seu interior se deforma (FISH, 1999) (Figura III.1).

17

E E

EFEITO PIEZELETRICO DIRETO

EE

EFEITO PIEZELETRICO INVERSO

Figura III.1: Efeito piezeltrico: (a) tipo direto, em que a compresso do material no sentido de sua polarizao (indicado pela seta em negrito) gera um potencial eltrico de mesmo sentido que esta, enquanto a trao na mesma direo gera um potencial contrrio. (b) tipo inverso, em que aplicando campo eltrico (E) de mesmo sentido que a polarizao acarreta a retrao do material, enquanto que o campo no sentido contrrio acarreta a expanso do material.

Dentre os materiais piezeltricos encontrados naturalmente pode-se citar o quartzo e

a turmalina. A partir de 1940, certos materiais tm sido especialmente fabricados para

adquirir propriedades piezeltricas, dentre eles esto as cermicas ferroeltricas (tal como

Titanato Zirconato de Chumbo, PZT), os polmeros piezeltricos (ex.: Difluoreto de

Polivinideno, PVDF) e os compsitos piezeltricos (que so uma mistura de piezocermica

com polmero no piezeltrico) (GALLEGO-JUREZ, 1989). Hoje em dia, as cermicas

piezeltricas so as mais utilizadas em aplicaes mdicas. O material cermico mais

popular o PZT, fabricado em vrias verses comerciais.

A figura III.2 ilustra um disco de material cermico que opera no modo espessura.

Neste exemplo, o disco possui dimetro maior que a espessura e a polarizao (orientao

preferencial dos dipolos) se d na direo do eixo 3 que coincide com a direo do campo

18

eltrico a ser aplicado (GUO e CAWLEY, 1991). Eletrodos metlicos so depositados nas

faces circulares planas superior e inferior (Figura III.2).

Polarizao

3

2

1

Figura III.2: Disco de cermica piezeltrica mostrando a direo de polarizao coincidindo com o eixo 3 que representa a direo do campo eltrico aplicado.

Para a gerao de ondas acsticas o efeito piezeltrico inverso (referido como o

modo de transmisso) aplicado. Desta forma, aplica-se o sinal de excitao entre os

eletrodos, criando-se um campo eltrico na mesma direo da polarizao. Assim,

possvel gerar e transmitir ondas mecnicas de compresso e rarefao no meio acoplado

cermica.

O presente trabalho, que trata principalmente da gerao de ultrassom de potncia,

determina que as cermicas piezeltricas a serem empregadas sejam preferencialmente de

alta potncia.

As cermicas de alta potncia so assim denominadas por poderem ser usadas com

geradores de alta voltagem, uma vez que sendo menos suscetveis ao prprio aquecimento

podem suportar alto nvel de excitao eltrica. Elas apresentam diversas caractersticas

(GALLEGO-JUREZ, 1989), dentre as quais:

- Baixa perda dieltrica: Baixa energia dissipada dentro do material dieltrico

quando submetidas alta tenso, perdendo, portanto, pouco com aquecimento;

- Alta constante dieltrica: Relativo habilidade de um material armazenar energia

eltrica quando aplicada uma voltagem, logo, so bem isolantes. inversamente

proporcional impedncia eltrica (definio no tpico III.1.4);

19

- Alto fator de acoplamento eletromecnico (kef): Frao de energia eltrica que

pode ser convertida em mecnica e vice-versa. Pode ser calculado pela frmula abaixo

(III.1) (CHEEKE, 2002), sendo essas frequncias conceituadas no tpico III.1.4.2.

222

farfarfrkef = , (III.1)

fr = frequncia de ressonncia far = frequncia antirressonncia

- Alto fator de qualidade (Q): Relativo ao bom desempenho na transferncia da

energia acstica; relao entre a energia armazenada e a energia despendida em calor, por

ciclo de vibrao (CHEEKE, 2002). Este fator reduzido nas cermicas para aplicao

pulso eco, pois muita energia dissipada em cada ciclo, causando amortecimento mais

rpido da vibrao, o que favorece a recepo dos ecos;

- Propriedades estveis em relao ao tempo e temperatura. Isso desejvel, uma

vez que durante o tratamento de pseudoartrose o transdutor aplicado diariamente (por 20

min) durante 4 a 5 meses, em mdia, ou seja, em condies repetitivas.

III.1.2 - Principais mecanismos de focalizao

Ao se realizar um corte contendo o eixo axial do feixe ultrassnico ser visualizado

o tipo de feixe produzido pelo transdutor, que pode ser colimado, divergente ou

convergente (Figura III.3). No caso de um feixe colimado, encontrado na literatura para

aplicao desta terapia, a largura do feixe mantm-se quase inalterada durante sua

propagao no meio. Por sua vez, na propagao de um feixe divergente ocorre aumento

20

progressivo do seu dimetro, e o oposto ocorre em um feixe convergente. A convergncia

de um feixe possvel por mecanismos de focalizao ultrassnica (FISH, 1999).

Figura III.3: Tipo de feixe: (a) Colimado, (b) Convergente e (c) Divergente.

A focalizao de feixes ultrassnicos tem sido objeto de estudo crescente, pois pode

ser usada em muitas importantes aplicaes, tanto em US de imagem como em terapia.

Em terapia ultrassnica, transdutor focalizado tornou-se muito til por vrios

fatores: oferece um recurso de tratamento localizado (pela diminuio da largura do feixe

do US) com poucos efeitos secundrios para a sade do tecido circundante (CHAPELON et

al., 2000); se desejvel, possibilita aumento da intensidade do feixe no foco, pelo resultado

da concentrao do feixe em uma pequena rea (FISH, 1999); e permite ajustar a distncia

focal.

A focalizao muda a forma de um feixe ultrassnico emitido pelo transdutor. Esta

mudana pode ser alcanada por diversas intervenes: provocando encurvamento do

prprio material piezeltrico; utilizando focalizao eletrnica (isto , matriz de

transdutores envia sinais com adequada diferena de fase, para obter um ponto em comum

de focalizao); posicionando espelhos refletores; ou adicionando lentes acsticas (VIVES,

2008) (Figura III.4).

(a)

(b)

(c)

21

Figura III.4: Transdutores Ultrassnicos de focalizao: (a) transdutor esfrico, (b) lente, (c) refletor e (d) focalizao eletrnica.

Uma das vantagens das lentes sobre transdutores esfricos que possvel usar um

transdutor plano modificando o foco apenas pela seleo de lentes apropriadas (VIVES,

2008). Alm disso, torna-se vantajoso sobre transdutores de focalizao eletrnica por ser

uma opo prtica e econmica.

As lentes ainda podem promover o casamento entre as impedncias acsticas da

cermica e do meio (conceituada no tpico III.1.5.1) que se quer irradiar, otimizando a

transferncia de energia.

III.1.2.1 - Lentes acsticas e a Lei de Snell

O desvio do feixe dependente do ngulo de incidncia e da diferena de

velocidade do som entre dois meios, em conformidade com a Lei de Snell. De acordo com

esta lei, quando uma onda sonora encontra uma interface entre dois meios diferentes, parte

da energia refletida e outra refratada (transmitida) (Figura III.5). A onda refletida

retorna ao meio incidente, com a mesma velocidade de propagao e a onda refratada

continua se propagando no novo meio, mas sua velocidade alterada em funo das

caractersticas deste (FISH, 1999).

(a) (b) (c) (d)

22

Figura III.5: Comportamento de uma onda acstica na interface de dois fluidos distintos.

Se a velocidade do som no segundo meio ( 2c ) for menor do que no primeiro meio

( 1c ), em interface plana, o feixe refratado aproxima da normal e vice-versa (III.2). Esta

condio necessria para que a onda ultrassnica seja refratada na interface plana entre os

dois meios e convirja para o foco, dando origem a feixes mais estreitos e distncia focal

reduzida.

1

2

cc

sensen

i

t =

, (III.2)

onde:

i = ngulo entre a direo da onda incidente e a normal

t = ngulo entre a direo da onda transmitida e a normal

Existem vrios tipos de lentes, dentre elas, as de formatos cnico e esfrico. Estas

sero vistas com mais detalhes a seguir, pois o estudo em questo utilizar estes formatos

de lentes.

23

III.1.2.1.1 - Lentes cnicas

A palavra cnica procede do fato que tal curva obtida por meio do corte de um

plano sobre o cone circular reto. Poder ter-se como seco cnica uma: circunferncia,

parbola, elipse e hiprbole (VENTURI, 2003).

As lentes cnicas atuam desviando as ondas acsticas com um mesmo ngulo.

Como resultado, os raios acsticos mais externos se encontram sobre o eixo da lente em

pontos mais afastados e aqueles mais internos se interceptam sobre o eixo em pontos mais

prximos da lente (Figura III.6). Assim, as lentes cnicas concentram a energia acstica do

feixe ultrassnico ao longo de uma regio do seu eixo de simetria, regio focal (MURPHY,

1981, ICHINOSE, 1992 ).

Figura III.6: Efeito de focalizao de uma lente cnica (Reproduo, com permisso, de ICHINOSE, 1992).

Portanto, estas lentes focam o feixe ultrassnico, gerando um pico de intensidade

acstica na regio focal, alm de reduzir a distncia focal, quando comparado a um no-

focado (MURPHY, 1981, ICHINOSE e MACHADO, 1994).

III.1.2.1.2 - Lente esfrica

Na lente esfrica, o ponto focal (ou foco) definido como o ponto onde todos os

raios de uma onda plana que nela incide, se cruzam em um nico ponto, o ponto focal,

24

decorrente da refrao na interface formada entre a superfcie da lente e o meio de

propagao (MURPHY, 1981, ICHINOSE, 1992) (Figura III.7).

Desta forma, de forma diferente das lentes cnicas, produzem um feixe estreito

sobre uma regio focal consideravelmente menor.

Figura III.7: Ilustrao do efeito de focalizao de uma lente esfrica (Reproduo, com permisso, de ICHINOSE, 1992).

III.1.3 - Caractersticas do feixe ultrassnico

III.1.3.1 - Transmisso do ultrassom

A onda ultrassnica propaga-se, em uma determinada frequncia, no meio irradiado

no modo contnuo ou pulsado. No modo contnuo a onda gerada ininterruptamente,

incidindo desta forma no meio de propagao. No modo pulsado a gerao se d por

interrupes intermitentes, como ocorre neste transdutor teraputico em estudo. Assim,

ocorrem no meio irradiado intervalos de tempo onde existem oscilaes de presso

(deslocamento da onda) e intervalos de tempo onde a presso permanece inalterada. O

intervalo de tempo em que ocorrem estes aumentos e diminuies da presso do meio a

durao do pulso. No perodo de repetio do pulso considera-se o intervalo de tempo onde

ocorrem as mudanas de presso no meio (pulso ultrassnico) e o intervalo de tempo em

que a presso permanece inalterada (IEC 61689, 2007) (Figura III.8). Na utilizao do

modo pulsado h, portanto, dois tipos de frequncias a ser consideradas, a frequncia da

onda e a de repetio do pulso. O fator de operao a relao entre a durao do pulso e o

perodo de repetio do pulso (IEC 61689, 2007).

25

Figura III.8: Sinal de ultrassom pulsado. O perodo de repetio do pulso (tempo total do ciclo) equivale a durao do pulso mais o tempo de espera.

O pulso pode ser nico ou em srie, este ltimo tambm chamado de trem de

pulsos (train of pulses) ou salvas (bursts).

O transdutor teraputico de baixa intensidade habitualmente excitado em modo

pulstil, frequncia de repetio de 1 kHz e fator de operao de 20 %.

III.1.3.2 - Intensidade do feixe acstico

Quando uma onda sonora se propaga em um meio, as partculas deste comeam a

vibrar e adquirem energia cintica e energia potencial elstica. A quantidade de energia

ultrassnica emitida por segundo chamada potncia ultrassnica e expressa em watts. A

quantidade de potncia ultrassnica que atravessa uma rea chamada de intensidade

acstica, sendo expressa em W.cm-2

Devido intensidade do ultrassom pulsado no ser uniformemente distribuda

atravs do feixe ou no tempo, vrias intensidades devem ser definidas, sendo a de maior

interesse (neste trabalho) a Intensidade Mdia Espacial e Mdia Temporal (

(FISH, 1999).

SATAI ). Esta

corresponde ao valor mdio, no tempo, da intensidade mdia espacial (FISH, 1999) (Figura

III.9).

Durao do pulso

Perodo de Repetiode Pulso

26

Figura III.9: A variao no tempo da mdia espacial (ISA) e seu valor mdio temporal ( SATAI ).

Para a medio deste parmetro acstico e de outros parmetros geomtricos, no

existe norma para o seu clculo em feixe de ultrassom teraputico de focalizao mecnica,

apenas para transdutor teraputico plano a IEC 61689 (2007). Esta foi, ento, utilizada,

restringindo a frmula para a regio focal (III.3). Nesta regio, calcula-se a ASTF (rea de

Seco Transversa do Feixe), a qual definida como a menor rea em um plano

perpendicular ao feixe em que a soma do quadrado da presso acstica mdia 75 % do

total. Devido ao fato do elemento transdutor ser circular, espera-se que o feixe tenha uma

simetria em torno do eixo de radiao.

foco no ASTF

mdia PotnciaI focalSATA = , (III.3)

ISA

ISATA

Tempo

27

III.1.3.3 Interaes do US com os tecidos biolgicos

A onda ultrassnica, ao se propagar pelas estruturas biolgicas, interage com os

tecidos de acordo com as suas caractersticas. Os tipos de interaes que ocorrem so

similares aos comportamentos das ondas observadas na luz: reflexo, refrao,

espalhamento, difrao, divergncia, interferncia e absoro. Com exceo da

interferncia, todas as interaes reduzem a intensidade do feixe, que denominada de

atenuao. Esta possui um coeficiente (expresso em dB.cm-1

Quanto absoro, o processo pelo qual a energia ultrassnica transformada em

outras formas de energia, primariamente calor. Sua taxa proporcional densidade tecidual

(HEDRICK et al., 1994).

) nos diferentes tecidos e

depende das propriedades do meio e da frequncia de emisso do US (Tabela III.1).

Tabela III.1: Valores das principais propriedades acsticas de alguns tecidos biolgicos

Material Densidade

(kg.m-3Velocidade

) de

Propagao

(m. 1s )

Coeficiente

de

Atenuao

(dB.cm-1

1 MHz

)

Impedncia

Acstica 610 (kg. 2 1m .s )

Msculo 1080 1580 1,2 1,70

Tecido mole 1060 1540 - 1,63

Osso 1912 4080 - 7,80

Gordura 952 1459 0,6 1,38

gua 1000 1480 0,0022 1,48

(HEDRICK et al., 1994)

III.1.4 - Impedncia eltrica

O campo eltrico na cermica criado quando uma diferena de voltagem

aplicada entre dois eletrodos depositados em certa superfcie do material, induzindo uma

28

corrente eltrica atravs da cermica. A razo entre a voltagem aplicada e a corrente

eltrica gerada nos eletrodos a impedncia eltrica do componente piezoeltrico. (VIVES,

2008).

III.1.4.1 - Modelo eltrico da cermica

Como os dispositivos piezoeltricos se conectam eletricamente ao circuito de

excitao, conveniente obter seu modelo eltrico equivalente para poder analisar o

desempenho da cermica, no s do ponto de vista eltrico, mas tambm prever seu

comportamento mecnico na regio de ressonncia. Uma cermica piezoeltrica teria, em

princpio, caractersticas de um capacitor: dois eletrodos isolados entre si por um material

dieltrico. Entretanto, devido a suas propriedades piezeltricas esta sua impedncia,

principalmente na regio prxima da ressonncia, no pode ser representada por um

simples capacitor.

O modelo simplificado a seguir (Figura III.10) representa a impedncia eltrica

(mdulo e fase) dos elementos piezeltricos a serem utilizados, vibrando no modo

espessura, em uma frequncia prxima de vibrao natural ou frequncia de ressonncia

(COBBOLD, 2007).

Figura III.10: Modelo eltrico de Van Dyke equivalente ao material da cermica vibrando em frequncia prxima da ressonncia.

29

Este modelo derivado do circuito eltrico de Van Dyke (1925, apud COBBOLD,

2007) e nele distinguem-se dois ramos: um eltrico, representado por Co e um mecnico,

representado por C1, L1 e R1. Os parmetros envolvidos so:

Co = a capacitncia eltrica intrnseca da cermica;

C1 = a capacitncia srie na ressonncia; representa os efeitos de elasticidade da

cermica;

L1 = a indutncia srie na ressonncia; representa os efeitos inerciais da cermica;

R1 = valor da impedncia na frequncia de ressonncia; representa os efeitos de

atrito na cermica mais a radiao.

De acordo com este modelo, a corrente desencadeada pelo efeito piezoeltrico, isto

, pelo efeito eletromecnico no material a mesma de um circuito eltrico formado por um

capacitor em paralelo com um ramo RLC (COBBOLD, 2007).

III.1.4.2 - Analisador da impedncia eltrica da cermica

Empregando um Analisador de Impedncias Vetorial, tanto cermicas quanto

transdutores so testados em uma faixa de frequncia de forma a se obterem as curvas de

mdulo e fase de impedncia em funo da frequncia. A partir destas curvas so

determinados alguns parmetros, como a frequncia de ressonncia que corresponde o valor

mnimo do mdulo da impedncia eltrica, e a frequncia de antirressonncia que

corresponde o valor mximo de impedncia. Ambas frequncias esto intimamente

relacionadas com o material e a espessura da cermica (FISH, 1999).

Excitar o transdutor em sua frequncia de ressonncia minimiza as perdas,

otimizando seu funcionamento (maior potncia de sada) e diminui o aquecimento, o qual

poderia deteriorar o transdutor em mdio prazo.

30

III.1.4.3 - Compatibilizao eltrica

Quando as impedncias eltricas do transdutor e do gerador esto descasadas, parte

do pulso de excitao refletida para o gerador. Para diminuir a diferena destas

impedncias, pode ser realizada, entre outras aplicaes, a compatibilizao eltrica por um

indutor ou circuito RLC ou um transformador.

III.1.5 - Impedncia acstica

A impedncia acstica uma propriedade de um meio. A forma mais comum de

expressar a impedncia acstica (Za) de um meio pelo produto da densidade () deste

meio pela velocidade de propagao do som (c) no mesmo (III.4):

Za = . c. (III.4)

III.1.5.1 - Compatibilizao acstica

Para entregar energia acstica a um meio o transdutor de US necessita ser acoplado

a ele. A maior taxa de transferncia de energia ocorre quando as impedncias acsticas de

ambos forem iguais (CHEEKE, 2002). Como as cermicas tm uma impedncia acstica

bem maior do que a do tecido biolgico, uma parte da energia ultrassnica refletida de

volta ao gerador na interface transdutor/tecido biolgico, acarretando a transmisso parcial

da energia.

Para aumentar a eficincia da transferncia de energia acstica do transdutor para o

meio de transmisso, costuma-se incluir uma ou mais camadas de material com impedncia

acstica de valor intermedirio (VIVES, 2008).

31

III.2 - CARACTERIZAO DO CAMPO ACSTICO

Existem diferentes mtodos para avaliar o feixe ultrassnico, dentre eles o

mapeamento com hidrofone, o mecnico com balana de radiao e o trmico com

termopares ou materiais termocromticos ou mesmo utilizando uma cmara infravermelha.

III.2.1 - Hidrofone

O mapeamento do feixe pelo hidrofone um dos mtodos mais completo, sensvel e

fidedigno. Para seu uso, a norma NBR-IEC 61689 determina a realizao do mapeamento

por varredura planar, em que ocorre captao dos sinais de presso do campo acstico,

irradiado pelo transdutor, e os transformam em sinais eltricos. Este recurso fornece dados

precisos sobre o perfil espacial do feixe, proporcionando ao usurio uma indicao do local

de aplicao da energia acstica na rea de interesse. As desvantagens residem no fato de

ser um processo demorado, por demandar aquisio computacional ponto a ponto do sinal

de presso acstica, alm de pouco acessvel, devido ao alto custo da montagem

experimental necessria, que consiste de um tanque acstico computadorizado, hidrofone,

controlador de motor de passo, osciloscpio e o gerador de sinal.

O reservatrio de gua deve conter gua degaseificada, para evitar a formao de

bolhas, deionizada para evitar a corroso dos hidrofones e estar a uma temperatura

controlada de 22 C 3 C (norma NBR-IEC 61689).

O transdutor e o hidrofone so imersos neste reservatrio com gua. O hidrofone

deve estar em um suporte que permita a sua movimentao nos eixos ortogonais X, Y e Z.

Este sistema de varredura controlado pelo computador por meio de motores de passo. O

computador tambm responsvel por armazenar e processar o sinal adquirido

comunicando-se tanto com o controlador de motor de passo como com o sistema de

aquisio de sinais (que pode ser um osciloscpio digital).

Segundo a norma IEC 61689 (2007), deve ser feita a varredura ao longo do eixo do

transdutor, pois neste eixo localizam-se os maiores picos de presso. Devem ser tambm

32

feitas varreduras ao longo de um plano longitudinal, que contenha o eixo do transdutor e

tambm em planos transversais, a distancias determinadas da face do transdutor.

III.2.2 - Balana de radiao e a medio da potncia acstica

importante quantificar a potncia ultrassnica gerada por um transdutor de forma

a se certificar do nvel mdio de exposio, para fins de segurana. Um dos mtodos de

medio de potncia acstica mais simples e rpido a balana de fora de radiao que se

baseia na medio de fora de radiao sobre um alvo que intercepta todo o feixe gerado

pelo transdutor. A fora de radiao aplicada no alvo proporcional potncia total do

feixe, sendo que no caso de reflexo total, esta dada pela frmula III.5 (OHMIC, 1998)

P = 14,65. w, (III.5)

onde P = potncia ultrassnica em watts, e w a fora de radiao medida em gramas.

A balana acstica tipo refletora constituda por um alvo refletor cnico de

alumnio que fica mergulhado dentro de uma cuba recoberta de material absorvedor

preenchida com gua destilada. O alvo conectado a uma balana analtica. No diagrama

esquemtico da figura III.11, pode-se ver o transdutor e a forma com que ele se alinha com

o alvo. O feixe ultrassnico incidindo sobre o alvo totalmente refletido em virtude de o

ngulo de incidncia ser maior que o ngulo crtico. As ondas acsticas refletidas so

absorvidas pelo material absorvedor que forra a parede interna da cuba. Logo, devido

geometria cnica do alvo refletor e constituio absorvedora da parede da cuba da

balana, assume-se que toda a variao indicada no display, em cada medio, devida

potncia ultrassnica emitida (IEC 61689, 2007).

Como regra geral, antes do procedimento de medio, a balana dever ser

calibrada com pesos apropriados de massa conhecida.

Uma vez o transdutor acionado, as ondas ultrassnicas causam vibrao mecnica

das partculas da gua, provocando um fluxo de energia. Quando esta energia acstica

atinge o alvo cnico, um momento transferido do feixe para o alvo, e este experimenta

33

uma fora ao longo da direo de propagao a fora de radiao. Esta fora

experimentada proporcional potncia acstica.

Propagao dofeixe acstico

Gerador

gua destilada

Transdutor

Alvo refletor

Cuba

Balana analtica

Figura III.11: Representao esquemtica do gerador, transdutor e dos elementos da balana de radiao para quantificao da potncia acstica.

III.2.3 Mapeamento Trmico

Mesmo quando o mecanismo de ao ultrassnica assumido ser no trmico,

como o caso da aplicao teraputica deste estudo, os parmetros fsicos necessrios para

identificar o aumento da temperatura, assim como a presso, no local de interesse, devem

34

ser registrados.

Mapeamento trmico a mensurao da quantidade de energia ultrassnica que

absorvida na forma de calor.

Existem na literatura diversos procedimentos que ao longo do tempo foram sendo

aprimorados para avaliar esta quantidade de calor gerada pelo US. A seguir, ser descrito

brevemente um destes procedimentos, uso do termopar, o qual ser utilizado no estudo

presente.

III.2.3.1 - Utilizao do termopar

A temperatura de um sistema pode ser medida por termopares, que consistem em

dois fios de diferentes metais, fundidos. Existem diversos tipos, tais como A, B, E, cada

um apropriado para utilizao em uma determinada atmosfera e faixa de temperatura. O

aquecimento gerado pelo US na regio de juno produzir uma diferena de potencial de

sada diretamente proporcional elevao da temperatura. O termopar conectado a um

sistema eletrnico de medio da tenso e este a um microcomputador, que por meio de

softwares adequados interpretam os dados em valores de temperatura. Apesar de ser um

mtodo simples e barato, permitir calibrao e possibilitar rpida resposta trmica com

mnima interferncia com o campo acstico, existe uma certa dificuldade na montagem do

termopar, pois depende da habilidade manual do operador.

35

CAPTULO IV

MATERIAIS E MTODOS

IV.1 - INTRODUO

Esta sesso apresenta as fases para construo dos transdutores ultrassnicos de

baixa intensidade, bem como a montagem experimental para a caracterizao de seus

feixes acsticos. Em seguida, tambm sero relatados os procedimentos necessrios para

medio da potncia de radiao emitida pelos transdutores, com balana acstica. Por fim,

sero descritas as etapas para avaliao do aquecimento promovido pelo feixe ultrassnico

em phantom biolgico (material que mimetiza certas propriedades do tecido biolgico).

IV.2 - CARACTERIZAO DA CERMICA

A caracterizao da cermica fundamental na construo de um transdutor e

consiste na obteno das curvas de impedncia versus frequncia, para identificar,

principalmente, sua frequncia de ressonncia. Para tanto, o transdutor foi conectado ao

Analisador de Impedncias (HP 4193A, Hewlett Packard, EUA) (Figura IV.1) e mapeado

na faixa de frequncia de 0,4 a 4,0 MHz em 100 passos. Este procedimento foi realizado

em todas as etapas da montagem do transdutor, ou seja, desde a cermica isolada at o

transdutor completo, para verificar se a cermica no estivesse danificada ou se o

transdutor no havia perdido contato eltrico durante o processo de construo. Aps a

varredura, pode-se visualizar o traado do mdulo da impedncia e da fase em funo da

frequncia, assim como do mdulo da impedncia no pico da fase (Zpf), valor prximo do

valor terico da impedncia do transdutor.

36

I

V(a)

(b)

(d)(c)

Figura IV.1: Cermica (a) conectada ao analisador de impedncia eltrica representado por (b), (c) e (d), respectivamente, corrente eltrica, medidor de tenso e gerador de frequncia varivel.

IV.3 - MONTAGEM DOS TRANSDUTORES ULTRASSNICOS

TERAPUTICOS FOCALIZADOS

Foram construdos transdutores de US com cermicas piezeltricas, sendo um do

tipo PZT-5A (cermica de alta sensitividade) e quatro do tipo PZT-YJ (cermica de alta

potncia) (MorganElectroCeramics, EUA). As etapas para construo dos transdutores so

descritas a seguir.

IV.3.1 Transdutores com cermicas tipo PZT-5A

O primeiro passo na construo do transdutor estabelecer contato eltrico com os

eletrodos que revestem o disco de cermica, por meio de soldagem de fio em sua face

positiva (Figura IV.2), a qual indicada por uma marcao pelo fabricante. Este lado

corresponde direo de polarizao da cermica.

Utilizou-se cermica piezeltrica PZT-5A, polarizada uniformemente, dimetro de

30 mm, espessura de 1,5 mm e com eletrodos j depositados em suas faces paralelas.

Durante este processo de soldagem usaram-se ponteiras de dimetros reduzidos e

temperatura controlada (< 200 C), para facilitar a unio e evitar despolarizao da

cermica por aquecimento excessivo.

37

Figura IV.2: Fio soldado na face de polarizao positiva da cermica.

Em seguida, foi cortado um tubo de PVC com comprimento em torno de 10 cm e

dimetro interno de aproximadamente 0,5 mm maior que o dimetro da cermica, para

facilitar sua penetrao. Ento, a cermica foi colocada dentro deste tubo, de maneira que a

face positiva ficou prxima de uma das extremidades deste, sobre um estreito disco de

nylon para sustentao, e o fio soldado no lado negativo saiu pelo outro lado do tubo.

Em seguida, ser descrita a etapa de elaborao e conexo das lentes.

IV.3.1.1 - Modelo terico das lentes

As lentes acsticas foram projetadas usando programa TurboCad Learning

Edition, pois esse permite fazer uma previso das caractersticas geomtricas do feixe

ultrassnico. Com isso, pode-se fazer a escolha adequada da lente, segundo o desejado

posicionamento da regio focal, sendo esta, para o atual estudo, prxima face do

transdutor. Esta proximidade desejvel, uma vez que a aplicao deste transdutor ser

inicialmente experimental, precisamente em rato, em que a distncia da pele at o osso ,

em mdia, at 6 mm, dependendo do segmento sseo e da massa corporal do animal. A

distncia focal de um transdutor plano, para a mesma dimenso da cermica, no menos

de 70 mm, ou seja, muito alm do desejvel (VALENTINI, 2006).

38

Foram selecionadas as substncias resina epxi e silicone para a constituio das

lentes. A escolha desses materiais deu-se por conta de algumas de suas propriedades:

velocidade de propagao acstica e resistncias qumica e trmica. Essas e outras

propriedades, assim como a medio de alguns de seus parmetros acsticos, encontram-se

pormenorizadas no apndice IX.1.

Para a primeira lente de resina foi projetado um perfil hiperbolide, por suas

propriedades de focalizao e pela disponibilidade de um molde neste formato, nas

instalaes do Laboratrio de US (LUS/PEB/UFRJ), onde se realizou a construo dos

transdutores. A face cncava desta mesma ficou voltada para o lado externo.

Traado, neste programa TurboCad Learning Edition, o feixe acstico gerado por

esta lente, percebeu-se que a regio focal ainda se formaria distante da face do transdutor.

Para aproximar ainda mais a distncia focal, foi adicionada uma 2 lente de perfil esfrico

(molde disponvel no laboratrio), desta vez de silicone. Como os testes so feitos em meio

aquoso (vide propriedades acsticas da gua, na Tabela III.1), a convergncia foi obtida

posicionando a 2 lente com a concavidade voltada para cermica (face externa convexa), a

fim de permitir a focalizao, respeitando a Lei de Snell (Figura IV.3).

35.1

29.3010.30

lente cncava de epxilente convexa de silicone

distncia focal terica (mm)

Cermica 48.70

Figura IV.3: Elementos geomtricos do transdutor de focalizao projetado no programa TurboCad, para cermica de 25 mm de dimetro. Os raios em tom vermelho, azul e verde correspondem a direo de propagao do feixe com a lente cncava, cncava-plana e cncava-convexa, respectivamente.

39

IV.3.1.2 - Construo das lentes acsticas

Com a definio das geometrias e dos materiais das lentes acsticas, partiu-se para

a construo das mesmas, que foi realizada com o auxlio de moldes para possibilitar a

reproduo o mais exata possvel.

Para confeco da 1 lente, foi utilizado um molde hiperbolide (Figura IV.4).

Figura IV.4: Molde hiperbolide para a construo da 1 lente cnica acstica.

J a lente esfrica foi feita a partir de um molde esfrico de ao, de forma a se obter

uma superfcie mais lisa e esfrica possvel.

A resina epxi (Araldite GY 257), juntamente com o seu agente curador

(Aradur 2963), na devida proporo, foram levados cmara de vcuo, at completa

eliminao das bolhas de ar. Em seguida, este preparo foi depositado por cima do material

piezeltrico at alcanar a borda do PVC. O molde hiperblico foi imediatamente

encaixado por cima do epxi, moldando-o para formatao da superfcie cncava (C) da

primeira lente (Figura IV.5). O conjunto curou por um dia (tempo suficiente para o epxi

endurecer).

Este preparado tambm foi derramado at o topo do interior de um pequeno anel de

alumnio (10 mm de altura e 26 mm de dimetro interno). O molde esfrico de ao foi

posicionado sobre esse conjunto, do anel com resina, para a constituio de um pequeno

molde convexo (Figura IV.6). Esta montagem tambm ficou curando por um dia.

40

Figura IV.5: Posicionamento do molde hiperblico durante a cura da resina.

Figura IV.6: Molde esfrico de ao sobre anel de alumnio com resina.

Aps 24 horas, foi promovido o descolamento dos moldes hiperblico e esfrico.

Seguiu-se um rpido lixamento das faces das lentes fabricadas, por meio de lixas dgua

apropriadas, para evitar que a aspereza das superfcies das lentes pudesse interferir no

desvio do feixe acstico.

Para adio da segunda lente de superfcie convexa, ou seja, para montagem do

transdutor cncavo-convexo (CX), utilizou-se o anel de alumnio com resina para a

modelagem da lente esfrica. Realizou-se uma estreita fissura na parede deste anel,

Lente cncava de resina

Molde hiperblico

Cermica PZT

Revestimento de PVC

41

prximo da sua face esfrica. Em seguida, o transdutor C (possui apenas a primeira lente

cncava) foi posicionado horizontalmente em uma estrutura fixadora (Figura IV.7). Contra

sua lente cncava aderiu-se a face esfrica do pequeno tubo de alumnio, envolvendo esta

juno com uma fita isolante. A regio resultante do espaamento entre a lente cnica e a

face esfrica do anel foi preenchida com o silicone RTV 615 (previamente levado cmara

de vcuo), por meio de uma seringa encaixada na fissura.

Passadas 24 horas, desacoplou-se o anel de alumnio, permanecendo a lente

esfrica e, portanto, transformando o transdutor C em CX. Em seguida, os fios foram

soldados no conector tipo BNC (conexo para cabo coaxial) fmea. Por ltimo, uma pea

de nylon foi encaixada na face posterior do transdutor, a fim de promover vedao,

permitindo sua utilizao na gua.

Figura IV.7: Preenchimento de silicone para formao do transdutor CX.

IV.3.2 Transdutores com cermicas tipo PZT-YJ

Com este tipo de disco piezeltrico foram construdos trs transdutores focalizados

de US, sendo um com lente cncava (C), outro de lente cncava-plana (CP) e o ltimo de

lente cncava-convexa (CX).

42

Em todos foram utilizados: cermicas piezeltricas do tipo PZT-YJ, polarizadas

uniformemente, 25 mm de dimetro, 2,0 mm de espessura e frequncia nominal de 1 e 3

MHz. Este disco piezeltrico se apia dentro de um tubo de alumnio (26 mm de dimetro

interno e 36 mm de comprimento).

O contato eltrico nas cermicas foi realizado de forma idntica ao do transdutor

CX-5A, assim como a execuo das fases para a construo do transdutor CX-YJ.

Contudo, para elaborao do transdutor C, estacionou-se na etapa de utilizao

apenas do molde hiperbolide. Aps o tempo de cura, identificou-se ausncia de solidez da

lente, causado pelo preparo ineficiente da resina, o que acarretou a excluso deste

transdutor C. Em substituio, foi utilizado o transdutor CX-YJ, sem a 2 lente, a qual

facilmente removvel.

J para a construo do transdutor CP, foi despejado silicone (previamente levado

cmara de vcuo) sobre o transdutor C.

A seguir, encontra-se um resumo esquemtico das etapas para elaborao das lentes

e uma tabela (IV.1) listando todos os transdutores focalizados construdos, relacionando a

simbologia de identificao com sua respectiva definio.

Tabela IV.1: Identificao dos transdutores construdos de acordo com os seus tipos de lentes e cermicas PZT utilizadas.

Transdutores focalizados

Definio Material da(s) lente(s)

CX-5A Transdutor focalizado por lentes cncava-convexa com cermica PZT-5A Lente cncava de resina-epxi Lente convexa de silicone

CX-YJ Transdutor focalizado por lentes cncava-convexa com cermica PZT-YJ Lente cncava de resina-epxi Lente convexa de silicone

CP-YJ Transdutor focalizado por lentes cncava-plana com cermica PZT-YJ Lente cncava de resina-epxi Lente plana de silicone

C-YJ Transdutor focalizado por lente cncava com cermica PZT-YJ Lente cncava de resina-epxi

43

Resumo das etapas para elaborao das lentes:

molde cermica resina hiperblico

(a) (b) (c) (d)

silicone

(a) (b) (c) (d) (e)

molde esfrico seringa

(a) (b) (c) (d) (f) (g) (h)

(a) Deposio da cermica soldada dentro do tubo de PVC ou de

alumnio;

(b) Despejamento de resina epxi;

(c) Colocao do molde hiperblico;

(d) Retirada do molde hiperblico aps 24 horas;

(e) Despejamento de silicone;

(f) Acoplamento do molde esfrico no tubo de PVC ou de alumnio;

(g) Preenchimento de silicone, por meio de seringa, no espaamento entre

o molde esfrico e o tubo de PVC ou de alumnio na posio hor