Curso de Capacitação Básica em Ultrassonografia | haroldomillet.com

Haroldo Millet

PRINCÍPIOS FÍSICOS DO ULTRASSOM

O ultrassom é uma onda mecânica, longitudinal produzida pelo movimento

oscilatório das partículas de um meio. As ondas sonoras por ser uma forma de energia

mecânica precisam de um meio físico para se propagar e, portanto não se propagam

no vácuo diferente das ondas com espectro eletromagnético como ondas de radio, luz

e raio-X que podem se propagar no vácuo.

A transmissão da onda sonora está diretamente relacionada com a distância

entre os átomos ou moléculas que compõem o meio, portanto a velocidade do som

sofrerá variações nos diferentes meios.

Os equipamentos de ultrassom determinam as distâncias em função do tempo

entre a emissão do pulso e a recepção do eco. A relação entre velocidade, tempo e

distância já é bem conhecida de todos nós e para facilitar os cálculos foi padronizada

em muitos países a velocidade média de 1540 metros/segundos para os tecidos de

partes moles.

Os ecos de uma estrutura superficial levam muito menos tempo para chegar ao

transdutor que os ecos de uma estrutura mais profunda. Desta maneira o aparelho

está continuamente calculando as distâncias das estruturas do corpo em relação ao

transdutor em função do tempo de retorno.

No ultrassom chamado pulsátil o mesmo transdutor (cristal) que produz o

ultrassom capta o eco que retorna dos tecidos. A produção do som então é realizada

em pequenos pulsos de curta duração (frações de segundo) enquanto o tempo de

recepção é longo, em uma proporção de 1:1000. Tempo de emissão pequeno com

tempo de escuta prolongado.

IMPORTANTE: As ondas mecânicas necessitam do meio material para se propagar (mar,

sísmicas, sonoras). Na propagação da onda mecânica não há transporte de matéria,

mas apenas de energia.

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IMPORTANTE: A velocidade de propagação é a velocidade máxima com a qual uma onda

acústica pode se movimentar em um meio. É determinada pela densidade e rigidez

desse meio. É diretamente proporcional à rigidez.

Unidades de velocidade de propagação:

metros/segundo (m/s)

milímetros/microssegundo (mm/us)

A VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DEPENDE DO MEIO

Padrão: 1540 m/s ou 1,54mm/us

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TABELA 1

A VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DO SOM EM DIVERSOS MEIOS

MEIO VELOCIDADE (m/s)

Ar 300 m/s

Gordura 1450 m/s

Água 1500 m/s

Tecidos 1540 m/s

Sangue 1570 m/s

Musculo 1585 m/s

Osso 4080 m/s

De Wells PNT. Propagation of ultrasonic waves through tissues.In Medical Physics of CT and Ultrasound.

Zagzebsky FG (ed.), New York American Institute of Physics 1980.

FREQUÊNCIA: grandeza que mede a quantidade de vezes em que o fenômeno

periódico se repete na unidade de tempo.

Unidade: ciclo / segundo = hertz (Hz), megahertz (MHz)

Heinrich Rudolf Hertz

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COMPRIMENTO DE ONDA: É o espaço percorrido pela onda em um ciclo. Expresso pela letra λ (lambda).

Unidade: metro, centímetro ou milímetro.

Relações entre comprimento de onda, frequência e velocidade de propagação:

comprimento de onda (mm) = velocidade de propagação (mm/u ) / frequência ( MHz)

λ = c / f

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PERÍODO: É o tempo gasto pela onda em um ciclo.

Unidades: µ - microssegundo (us)

Um microssegundo é um milionésimo do segundo (0,000001 segundo)

A frequência é o inverso do tempo: f = 1 / t

ULTRASSOM PULSÁTIL: em ultrassonografia diagnóstica pulsos curtos de ultrassom

são utilizados. Isto é denominado ultrassom pulsátil. É produzido pela aplicação de um

pulso elétrico no transdutor.

FREQUÊNCIA DE REPETIÇÃO DO PULSO (PRF): é o numero de pulsos que ocorre

em um segundo.

Unidades: hertz (Hz) e quilohertz (KHz).

PERÍODO DE REPETIÇÃO DO PULSO: é o tempo desde o início de um pulso até o

início do próximo.

Unidades: segundos, milissegundos (0,001 s)

DURAÇÃO DO PULSO: é o tempo que demora para o pulso ocorrer.

É igual ao período multiplicado pelo número de ciclos em um segundo.

Unidade: microssegundo.

OS PULSOS DE ULTRASSOM NORMALMENTE TÊM DURAÇÃO DE UM A TRÊS CICLOS

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EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO:

1) Se o período aumenta, a duração do pulso ............................

2) Se o número de ciclos em um pulso aumenta, a duração do pulso ...................

3) Se a frequência aumenta, a duração do pulso ….........................................

FATOR DE ATUAÇÃO: é a fração de tempo de emissão do som (na forma de pulsos).

Ele aumenta com o aumento da duração do pulso ou PRF.

Unidade: não tem.

É igual a duração do pulso dividida pelo período de repetição do pulso.

EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO:

1) Se a duração do pulso aumenta, o fator de atuação …......................

2) Se o PRP aumenta, o fator de atuação …...............

3) Se o PRF aumenta o fator de atuação …...........................

4) 1-MHz de ultrassom pulsátil, com fator de atuação de 1%, terá quantos ciclos por

segundo ?

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COMPRIMENTO ESPACIAL DO PULSO: é o comprimento do espaço no qual o pulso

ocorre. Ele aumenta com o comprimento de onda e com o número de ciclos em um

pulso.

Unidade: milímetro.

EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO:

1) Se comprimento de onda aumenta, o comprimento espacial do pulso …...............

2) Se o número de ciclos em um pulso aumenta, o comprimento espacial do pulso

…................

3) Se a frequência aumenta, o comprimento espacial do pulso …....................

AMPLITUDE: é a variação máxima que ocorre na variável acústica. É o valor máximo

subtraído do valor normal (em repouso). Corresponde à altura do sinal sonoro e é

medida em decibéis (dB). Por exemplo, o botão de volume de um amplificador de som

controla a amplitude (altura) do som nas caixas acústicas.

Unidade: depende da variável acústica.

POTÊNCIA: é a quantidade de energia transportada pela onda mecânica na unidade

de tempo.

J/s ou watts (W), ou miliwatts (mW )

INTENSIDADE: é a potência distribuída pela área.

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Unidade: W/m2 ; mW/cm2

A intensidade é proporcional ao quadrado da amplitude.

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EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO:

1) Se a amplitude é dobrada , a intensidade é …......................

2) Se a amplitude é diminuída pela metade, a intensidade .............................................

ATENUAÇÃO: é a perda de energia a medida que a onda se propaga no meio. Essa

perda pode ser devida à dispersão, refração, absorção ou reflexão do feixe acústico.

Supõe-se que o corpo humano promova uma atenuação ao redor de 1 dB/cm/MHz,

embora a do tecido ósseo seja de 20 dB/cm/MHz e a do pulmão seja de 41

dB/cm/MHz.

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Unidade: decibéis (dB)

Coeficiente de atenuação: é a atenuação por comprimento unitário do trajeto da

onda sonora. Para partes moles, ele é de aproximadamente metade da frequência do

transdutor.

Atenuação (dB): coeficiente de atenuação (dB / cm) x comprimento do trajeto (cm).

ABSORÇÃO: é a conversão do som em calor. É a maior fonte de atenuação nos

tecidos moles.

DISPERSÃO: a dispersão difusa é o redirecionamento do feixe sonoro após atingir

contornos pequenos ou irregulares, quando o comprimento de onda é maior que a

superfície refletora. O parênquima hepático e as hemácias representam uma

dispersão difusa.

REFLEXÃO: é o retorno de uma porção do feixe de ultrassom de volta ao transdutor

(um eco).

REFLEXÃO ESPECULAR: ocorre quando o comprimento de onda do pulso é muito

menor que o contorno atingido por ele, e a superfície refletora é mais suave.

Exemplos: diafragma, capsula do fígado e as paredes da vesícula biliar.

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TABELA 2

VALORES DE ATENUAÇÃO EM DECIBÉIS

Decibéis (dB ) Valor

- 3 dB ( ½ ) 0,5

- 6 dB ( ¼ ) 0,25

- 9 dB ( ⅛ ) 0,13

- 10 dB (1/10) 0,10

- 20 dB (1/100) 0,01

- 30 dB ( 1/ 1000) 0,001

CURVA DE GANHO: também chamada de curva de TGC (time gain compensation).

Permite controlar o ganho em diferentes profundidades. É muito útil na obtenção de

uma imagem homogênea, reduzindo ampliação dos ecos próximos ao transdutor (mais

intensos) e aumentando a dos ecos mais distantes (mais fracos). É um dos controles

mais importantes do equipamento de ultrassom.

IMPEDÂNCIA ACÚSTICA: é a resistência que o meio impõe a propagação do feixe

acústico. É representado pelo símbolo Z. Depende das propriedades elásticas e da

densidade das substâncias. Podemos considerar que impedância é igual à velocidade

de propagação multiplicada pela densidade.

INTERFACE: superfície de separação entre dois meios com impedâncias acústicas

diferentes. Quando uma onda mecânica incide nesta superfície, parte da onda é

refletida, gerando um eco e parte é transmitida (refratada), propagando-se ao outro

meio.

INCIDÊNCIA PERPENDICULAR: denominada incidência normal na geometria. Ocorre

quando a direção de propagação do ultrassom é perpendicular à interface entre dois

meios.

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Na incidência perpendicular o som pode ser refletido, transmitido ou ambos. As

intensidades dos sons refletidos e transmitidos dependem da intensidade do som

incidente e das impedâncias dos dois meios.

INCIDÊNCIA OBLÍQUA: ocorre quando a direção de propagação do ultrassom não é

perpendicular à interface entre dois meios

O ângulo de transmissão depende das velocidades de propagação no meio. Uma modificação na direção do som (ângulo de transmissão diferente do ângulo de

incidência) quando atravessa uma interface é denominada refração (do latim,

significando virar para um lado).

O ângulo de transmissão é maior do que o ângulo de incidência se a velocidade de

propagação no meio dois é maior do que a velocidade de propagação no meio um.

EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO:

1) Se a frequência aumenta o período ….....................

2) Se a frequência aumenta, o comprimento de onda …................

3) Se a frequência aumenta, a duração do pulso.........................

4) Se a frequência aumenta, o comprimento espacial do pulso ….....................

5) Se a frequência aumenta, a atenuação …....................

6) Se a frequência aumenta, a profundidade da imagem …...............

RESOLUÇÃO: é a menor distância entre dois pontos para que sejam considerados

dois pontos.

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RESOLUÇÃO AXIAL: é a separação mínima necessária entre os refletores ao longo

da direção de propagação do (ao longo da linha de varredura), a fim de produzir ecos

separados. Também chamada de resolução longitudinal, de escala ou de

profundidade.

É igual ao comprimento espacial do pulso.

Resolução axial (mm): comprimento espacial do pulso (mm)/2

A resolução axial é como a contagem de pontos no golf: quanto menor, melhor. O número de ciclos em cada pulso pode ser reduzido pelo amortecimento do

transdutor.

Geralmente a resolução axial é da ordem de 1 mm.

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EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO:

1) Se o comprimento espacial do pulso aumenta, a resolução axial …........... 2) Se o número de ciclos por pulso aumenta, a resolução axial ….............. 3) Se a frequência aumenta, a resolução axial ….......................

RESOLUÇÃO LATERAL: depende do diâmetro do feixe acústico. Se o espaço que

separa dois refletores lado a lado é maior do que o diâmetro do feixe, dois

objetos separados são produzidos quando ocorre a varredura. A resolução lateral é também denominada de resolução transversal, angular ou

azimutal.

A resolução lateral é melhorada pela redução do diâmetro do feixe.

A melhor maneira de reduzir o diâmetro do feixe é através da focalização.

A resolução lateral é da ordem de 2 a 3 mm.

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FOCALIZAÇÃO: é o estreitamente do feixe acústico provocado por meios mecânicos

(lentes acústicas) e/ou eletrônicos (phased array) para melhorar a resolução lateral.

TRANSDUTORES: denomina-se transdutor todo equipamento ou dispositivo apto a

transformar um sinal transportado por um tipo de energia, num sinal equivalente

transportado por outro tipo de energia.

Exemplos de transdutores: lâmpada de luz, automóvel, ouvido forno, bateria

microfone, auto-falante.

EFEITO PIEZELÉTRICO: descrito pelos irmãos Pierre e Jacques Curie em 1880 - na

Sorbone.

Trata-se da peculiaridade que alguns cristais têm de, ao serem submetidos a esforços

mecânicos, apresentarem polarização elétrica em suas faces. Reciprocamente, se as

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faces do cristal forem submetidas a diferença de potencial elétrico, surgirão no cristal

tensões internas que provocarão alteração nas dimensões do mesmo.

Quando aplicamos ao cristal uma voltagem alternada numa determinada frequência,

ele, devido às deformações que sofre passa a vibrar com a mesma frequência,

produzindo no meio circundante uma onda mecânica. Se a frequência do sinal elétrico

for suficientemente elevada, a onda produzida será ultrassônica. Reciprocamente, se

uma onda ultrassônica incidir no cristal, as vibrações nele induzidas produzirão o

aparecimento de uma voltagem alternada entre suas faces. Este sinal elétrico pode ser

amplificado e processado eletronicamente, permitindo a detecção do sinal

ultrassônico.