ultrasuoni

ULTRASUONI
L'apparato uditivo umano è in grado di percepire suoni di frequenza inferiore a circa a 20 kHz;
suoni di frequenza superiore vengono definiti ultrasuoni. Gli ultrasuoni possono invece essere
percepiti, e anzi vengono usati per comunicare e orientarsi da alcuni animali, come delfini,
pipistrelli, alcuni tipi di balene.
Storicamente i primi studi sistematici sugli ultrasuoni avvennero prima della seconda guerra
mondiale, in relazione alle applicazioni sottomarine del sonar (sound navigation and ranging), la
tecnica basata sulla possibilità di individuare gli ostacoli sommersi attraverso l'osservazione degli
echi di onde ultrasonore. A partire agli anni '50 venne le ricerche vennero estese all'applicazione
ultrasuoni in campo medico e venne proposto l'utilizzo dell'effetto Doppler per lo studio del flusso
sanguigno.
Allo stato attuale, le possibilità applicative degli ultrasuoni spaziano in campi molto vasti e in
continua espansione, in ambito sia medico sanitario sia industriale. Le applicazioni degli ultrasuoni
cosiddetti a bassa potenza (con valori tipicamente compresi tra 1 e 200 mW) riguardano
principalmente la diagnostica medica, le analisi non distruttive, la determinazione delle proprietà
elastiche dei materiali. Le applicazioni degli ultrasuoni ad alta potenza (tra 1 e 20 W) riguardano
invece la terapia medica e la chirurgia, la distruzione di cellule biologiche, la lavorazione dei
materiali, la saldatura di metalli e di materie plastiche, le operazioni di lavaggio e pulitura.
Le grandezze fondamentali che intervengono nella previsione dell'interazione degli ultrasuoni con il
materiale in cui vengono trasmessi sono la frequenza, l'intensità o la potenza, e la velocità di
propagazione del suono nel materiale stesso. Quest'ultima dipende essenzialmente dall'elasticità
del materiale e dalla sua densità, ed è quindi legata alla massa delle molecole che lo costituiscono,
alla loro distanza ed alle forze di interazione fra di esse. In un dato materiale ultrasuoni di
frequenza diversa corrispondono a lunghezze d'onda diverse.
Nel corso della sua propagazione, l'energia associata agli ultrasuoni viene parzialmente riflessa
e/o diffusa (in inglese scattered, cioè riflessa in direzioni non legate geometricamente a quella di
incidenza) in corrispondenza di eventuali discontinuità nel materiale che attraversa: sulla base
delle caratteristiche dell'energia riflessa, cioè degli "echi", è possibile avere informazioni sulla
presenza e sulle dimensioni delle discontinuità stesse. Analogamente, parte dell'energia viene
assorbita dando origine a fenomeni di riscaldamento locale, e di cavitazione (la cavitazione è il
fenomeno per cui l'irraggiamento di un liquido con un'onda ultrasonora porta alla formazione di
bolle gassose, che vengono messe in oscillazione, causando possibili danni alla zona circostante).
1.
APPLICAZIONI MEDICHE
In medicina le applicazioni degli ultrasuoni possono essere suddivise in due categorie, formazione
di immagini a scopo diagnostico e terapia. L'ecografia è esame ormai molto diffuso in tutti i settori
della medicina, dall'ostetricia, in cui è diventato esame di routine, alla cardiologia, alla medicina
interna. Lo scopo è di ottenere informazioni sui tessuti di interesse, senza danneggiarli. I limiti degli
ultrasuoni sono rappresentati dalla rapida attenuazione, alle frequenze che vengono comunemente
usate, tra 1 e 20 MHz (Megahertz, 1 MHz=106 Hz), sia nei gas, sia nelle ossa. Per questo motivo
non è possibile applicare tecniche diagnostiche a ultrasuoni ad esempio ai polmoni, in quanto sono
situati all'interno della gabbia toracica e pieni d'aria.
La tecnica più comunemente utilizzata per le ecografie è il metodo denominato pulse-echo, il cui
principio è simile a quello del radar. Un breve impulso acustico emesso dalla sorgente (il
trasduttore) è riflesso dalla struttura dei tessuti all'interno del corpo. Il trasduttore, realizzato
solitamente in materiale piezoelettrico (materiale cioè che è in grado di generare una tensione
elettrica se sottoposto ad una sollecitazione meccanica) riceve l'impulso riflesso e lo converte in
una tensione che può essere visualizzata su uno schermo. L'ampiezza dell'impulso ricevuto
dipende dalle proprietà acustiche della struttura riflettente, mentre il ritardo tra la trasmissione e la
ricezione fornisce informazioni sulla posizione della struttura. Spostando un fascio in diversi punti
della zona di interesse si ottiene un'immagine bidimensionale nella scala dei grigi, in cui la
luminosità indica la riflettività dei tessuti. Per convenzione le superfici ossee altamente riflettenti
sono chiare, mentre i fluidi che non contengono riflettori sono scure.
Oltre alle tecniche di pulse-echo, viene utilizzato l'effetto Doppler (effetto per cui se una sorgente si
allontana da un osservatore, la frequenza emessa dalla sorgente nel punto di osservazione è più
bassa, mentre se si avvicina è più alta) per studiare il flusso sanguigno. Gli spostamenti di
frequenza forniscono informazioni sulla velocità del flusso e sulla sua direzione, che sono
particolarmente utili in cardiologia e oncologia.
Ecografia alla trentesima settimana di gravidanza
(adattato da http://www. geddeskeepsake.com/
showcase.html)
Ecografia dell'occhio che evidenzia un distacco di
retina (adattato da http://www.drgdiaz.com/images/
eye-ret.shtml)
Gli usi terapeutici degli ultrasuoni riguardano:
•
la possibilità di indurre un riscaldamento non distruttivo o altri effetti meccanici che
stimolano o accelerano il normale recupero fisiologico in risposta ad una lesione. Rientrano
in questa categoria le applicazioni fisioterapiche, che vengono utilizzate per diminuire il
dolore, accelerare la cicatrizzazione delle ferite e ridurre il gonfiore. Un'applicazione molto
recente e molto interessante è rappresentata dalla possibilità di migliorare il trasporto dei
farmaci attraverso la pelle (sonoforesi)
•
la distruzione, selettiva e controllata, di tessuti. Si tratta in questo caso di un fascio di
ultrasuoni focalizzato, di potenza dell'ordine delle decine di watt, che viene applicato per un
tempo relativamente lungo, tra 1 e 16 s
Schema di principio della tecnica di
focalizzazione di ultrasuoni di elevata intensità
(HIFU, High Intensity Focused Ultrasound) per
applicazioni di terapia chirurgica (adattato da
http://www.hifutech.com/patients)
Nella tabella sono sintetizzati i campi di variazione di alcuni parametri degli ultrasuoni usati in
medicina:
Valori tipici di alcuni parametri utilizzati nelle applicazioni degli ultrasuoni in campo medico
Frequenza
(MHz)
Potenza
(Watt)
Intensità massima
(Watt/cm2)
Durata dell'impulso
Diagnostica medica
Pulse echo
Doppler pulsato
1 - 20
0.05
1.75
0.2 - 1 µs
1 - 20
0.15
15.7
0.3 - 10 µs
Fisioterapia
0.5 - 3
<3
2.5
2-8 ms o continuo
Chirurgia
0.5 - 10
∼200
1500
1 - 16 s
(adattato da G. R. ter Haar, Acoustic Surgery, Physic Today, vol. 54, n. 12, 2000, p. 29)
2.
APPLICAZIONI INDUSTRIALI
Le applicazioni degli ultrasuoni in campo industriale sono molto numerose. Le più comuni sono:
•
prove non-distruttive; gli ultrasuoni sono utilizzati per l'individuazione di difetti e imperfezioni
nei metalli utilizzando una tecnica di pulse-echo analoga a quella applicata nella
diagnostica medica: un'imperfezione, che comporta un cambiamento di materiale e quindi
di velocità di propagazione, produce una riflessione e quindi un'eco; la visualizzazione
dell'intensità dell'eco in funzione della distanza all'interno del solido permette di localizzare
l'imperfezione. La frequenza utilizzata è di pochi MHz.
Gli ultrasuoni permettono di individuare e controllare
la corrosione nei recipienti a pressione, tubazioni,
ponti, vagoni cisterna, ponti delle navi, strutture degli
aerei.
•
pulitura e lavaggio; gli oggetti vengono puliti immergendoli in una soluzione a base acquosa
che viene irradiata da un campo sonoro molto intenso. Il calore e la cavitazione favoriscono
i meccanismi di pulitura. La cavitazione è dovuta al fatto che le bolle liquide, prodotte dagli
ultrasuoni quando l'ampiezza della pressione acustica supera la pressione idrostatica del
liquido, aumentano di diametro e collassano, esercitando un'azione meccanica sulla
superficie degli oggetti. Il campo di frequenza utilizzato è approssimativamente compreso
tra 20 kHz e 100 kHz.
Un piccolo apparecchio a ultrasuoni per la pulitura
delle lenti a contatto
•
foratura e saldatura; il trasduttore causa l'oscillazione di un trapano o di una testa che
vibrano. Per le operazioni di foratura viene forzata l'oscillazione di sostanze abrasive,
mentre nel caso della saldatura la vibrazione causa calore. Il campo di frequenza è
approssimativamente tra 20 kHz e 200 kHz.
Saldatrice a ultrasuoni
•
emulsificazione e omogeneizzazione di sistemi liquidi, a base acquosa o oleosa si
ottengono applicando ultrasuoni di elevata intensità che causano cavitazione. Le frequenze
utilizzate sono dell'ordine delle decine di kHz.
Emulsionatore a ultrasuoni