uach física en la odontologia 3 2 ultrasonido

3.2 Ultrasonido

Objetivos: Comprender como funciona nuestro sistema de adición y

generación de sonido. Como el sonido se propaga, efectos

que percibimos y uso que le damos.

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

Dr. Willy H. Gerber, Dr. Constantino Utreras

Instituto de Física, Universidad Austral

Valdivia, Chile

Onda de ultrasonido

Onda de ultrasonido


Onda de ultrasonido

Ondas longitudinales y transversales

Forma de propagación dentro del medio

Longitudinal Transversal

Propagación


Dilatación Compresión

Ondas en la superficie

Forma de propagación en la superficie

Gas

De extensión

Propagación


Ondas de Rayleigh Ondas de Lamb

De doblado

Solido

Largo de onda [m]

Frecuencia [s]

Velocidad del sonido [m/s]

(1)

Deformación

Propagación de una Onda

Desplazamiento o amplitud [m]

Presión [Pa]

Dimensiones del cubo


Velocidad

Deformación

(2)

(3)

Presión asociada a propagación

Propagación de una Onda


Fuerza efectiva

(4)

(5)

(6)

Presión asociada a propagación

Introducción de la impedancia

Introducción de la velocidad del sonido

(7)

(8)


Analogía con un circuito eléctrico

Definición de la impedancia

(9)

(10)

(11) (12)

Onda de ultrasonido

Cavitación


Cavitación

Comportamiento del medio

Cambio de estado en forma adiabática:

pero

(13)

(14)


(15)

(16)

(17)

compresión compresión compresión compresión

Cavitación no inercial

Parámetros de la onda acústica

rarificacion rarificacion rarificacion rarificacion rarificacion


Presion

Frecuencia propia de la burbuja (Minnaert)

(18)

RadioBurbuja

Tiempo


Técnicas de Diagnostico




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

Humana:

• Ultrasonido bidimensional (ecografía bidimensional)

• Ultrasonido tridimensional

• Ultrasonido Doppler (varios tipos)

Ventajas:

Objetivos

Ventajas:

• Usa radiación no ionizante, en tiempo real

• Permite obtener imagenes de tejidos blandos (no como rx)


Es sonido de alta frecuencia 1 − 5 Mhz

• El sonido son ondas mecánicas. En un fluido son ondas de compresión.

• Las ondas de sonido viajan en un medio material, y se reflejan

(parcialmente) en las interfases entre tejidos (diferente densidad).

• Las ondas reflejadas son detectadas, y amplificadas en el equipo de

ultrasonido.

Que es Ultrasonido

ultrasonido.

• El equipo de ultrasonido obtiene, en realidad calcula, la imagen.

• El sonido es producido/detectado por un transductor, habitualmente

de material piezo eléctrico.


Aquí presentamos algunos números de interés, para ’entender’ el

ultrasonido. A 1 Mhz, con un flujo de 100 mW/m2 (límite establecido

por la FDA de USA).

Longitud de Onda

Velocidad de fase

Máximo desplazamiento (partícula)

Velocidad máxima (partícula)

1.5 mm

1540 m/s

0,0057 μm

3,8 cm/s

Algunos Datos de Ultrasonido

Velocidad máxima (partícula)

Aceleración máxima (partícula)

Presión máxima

Presión de radiación

Equivalente térmico

3,8 cm/s

22,453×10+3g

1,8 atm

0,007 g/cm2

0,024 cal/s·cm2


Uno o más transductores, que

detectan/generan el ultrasonido, y la

electrónica asociada.

• Una CPU, o Unidad Central de Procesos.

Es un computador que calcula las

imágenes. También contiene una unidad

de almacenamiento masivo, y fuente de

poder eléctrica.

• Una pantalla, para mostrar imágenes,

La maquina de Ultrasonido

• Una pantalla, para mostrar imágenes,

datos y gráficos.

• Controles del transductor. Permite

controlar la intensidad, frecuencia y

duración de los pulsos generados por el

transductores (o transductores).

• Teclado, cursor (mouse), impresora (ahora

también comunicación Ethernet o USB).


• El ultrasonido (en fluidos) es una onda de presión, es decir, una perturbación de la

presión, que representamos como una onda sinusoidal de frecuencia , y longitud de

onda , amplitud (de presión) , k = 2/ es el número de onda.

en que c es la velocidad del sonido en el medio fluido.

• Se define el concepto de impedancia acústica, Z de un medio como el producto de la

velocidad de propagación en el medio multiplicada por su densidad

Onda se Sonido

(19)

velocidad de propagación en el medio multiplicada por su densidad

• en incidencia normal (perpendicular) se puede demostrar que el coeficiente de

reflexión de una onda que se propaga del medio 1 al 2, es


(20)

(21)

Más generalmente se cumple la Ley de

Snell

• el coeficiente de reflexión se generaliza a

Onda de Sonido

(22)

(23)

• el Ultrasonido es sensible a la impedancia

acústica, una ecografía es un mapa de

impedancia..


(23)

El efecto Doppler consiste en el cambio de la frecuencia del sonido debido al

movimiento de la fuente respecto al observador.

Cuando un objeto que emite

sonido de frecuencia (longitud

de onda ) se acerca con

velocidad v hacia el observador,

su longitud de onda s se acorta

Efecto Doppler

su longitud de onda s se acorta

Inversamente, la frecuencia

aumenta


(24)

(25)

El efecto Doppler permite detectar

el movimiento de los glóbulos rojos

de la sangre (velocidad vGR, en que

vGR/c 0.001– 0, 1% de la velocidad

c).

La Ultrasonografía Doppler

Cuando un objeto que emite

sonido de frecuencia (longitud

de onda ) se aleja con

velocidad v de el observador, su

longitud de onda s aumenta

Efecto Doppler

(26)funciona en base a un esquema

emisión-eco, por lo tanto hay

efecto Doppler en el sonido que

recibe el objeto en movimiento,

como en el eco que se recibe.

La velocidad de propagación en

tejidos es c = 1540 m/s

Inversamente, la frecuencia disminuye


(26)

(27)

Un transductor genera un pulso, de frecuencia , que se propaga con

velocidad c hasta encontrar un objeto (velocidad v), y luego escucha el eco, al cabo

de un tiempo total T

Si el objeto se acerca, basta

cambiar el signo de v

La distancia entre el receptor y el

objeto es

La frecuencia que incide en un

objeto que se aleja es

El receptor detecta un eco de

Efecto Doppler

(28)

Se puede medir la intensidad del

sonido recibido, que depende de

la distancia R

Qué ocurre si dirección del pulso

forma un ángulo con la velocidad

del objeto?

El receptor detecta un eco de

frecuencia

entonces,

el cambio de frecuencia es


(29)

(30)

(31)

(32)

En la ecuación lo que importa es

la proyección de la velocidad en

la dirección del pulso, es decir, se

puede generalizar la

Esto permite obtener la velocidad

Efecto Doppler

(34)

Esto permite obtener la velocidad

de los glóbulos rojos,

Velocidad de los glóbulos rojos

respecto a la dirección del haz,

(figura con ángulo incorrecto)


(33)

(35)

Hay varias tecnologías para sacar partido del ultrasonido Doppler

• Onda continua. Usa dos transductores, uno emitiendo continuamente, y otro

para escuchar en forma continua.

• Detección del signo de la velocidad. El operador escucha los dos canales

diferenciados en parlantes estéreo.

• Onda pulsada. En modo B, permite el uso de la ec. (35) en conjunto con ec.

(32), para obtener información de distancia, y asociar a imagen bidimensional.

Tecnologías Doppler

(32), para obtener información de distancia, y asociar a imagen bidimensional.

• Doppler-color. Se asocia color a un rango de cambios de frecuencias, los que

se acoplan con una imagen bidimensional, como en la tecnología de Onda

pulsada.

• Doppler-potencia (modo). Detecta cambios de frecuencia, pero no indica el

signo de los cambios.


Tecnologías Doppler


Si T es el tiempo que tarda el pulso en hacer su viaje de ida y vuelta

(Round Trip Time), y (Pulse repetition Rate) es la frecuencia asociada,

, en que (R es el alcance de ’gate’, depende del

detector)

Detalles Adicionales

(36)

La máxima frecuencia (Doppler) que se puede detectar (sin efectos de

enmascaramiento -aliasing ) es (Teorema de Nyquist)

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


(37)

(38)

Referencias

1. C. Freuendrich.

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

2. Curso de ultrasonido en MIT ( www.mit.edu, Open Courseware)

3. C. Farr. Ultrasonic Probing: the wave of the future in Dentistry (Periodontics).

Dentistry Today 19, No. 3, March 2000.


Dentistry Today 19, No. 3, March 2000.

4. E. J. Boote. Radio Graphics 2003. Physics Tutorial for Residents (AAPM/RSNA).

Doppler Ultrasound Techniques. Concepts of Blood flow detection and flow

Dynamics.

Contacto

Instituto de Física

Universidad Austral de Chile

Campus Isla Teja

Casilla 567, Valdivia, Chile


Dr. Willy H. Gerber

[email protected]

Dr. Constantino Utreras

[email protected]

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