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Visão geral do Ultrassom Este capítulo tem como objetivo abordar um breve relato sobre a história e a evolução do ultrassom ao longo do tempo. A técnica que utiliza as ondas sonoras de alta frequência para gerar imagens de órgãos e estruturas do corpo é denominada de ultrassom (US). Essas imagens são produzidas pelo registro dos ecos (reflexões) das ondas ultrassônicas direcionadas para o interior do corpo. As aplicações do US de alta intensidade tem como finalidade gerar mudanças no meio através do qual a onda se propaga, estão incluídas nessa faixa a terapia médica, ruptura de células biológicas, atomização de líquidos, limpeza por cavitação, homogeneização de materiais e solda. Já os US de baixa intensidade tem a capacidade de transmitir a energia através de um meio tendo como resultado a obtenção da informação do mesmo, temos como exemplo dessa utilização as medições das propriedades elásticas dos materiais, ensaios não destrutivos de materiais e a utilização para fins de diagnósticos médicos. O US na função de diagnostica é baseado na reflexão das ondas ultrassônicas, é uma técnica não invasiva, nem trauma, mais segura do que as que utilizam a radiação ionizante, tais como o raios-X, e por tanto são a técnica de escolha para a realização de exames no pré-natal. História do Ultrassom O ultrassom é demonstrado na natureza, através de certos animais dotados com a capacidade de emitir ondas ultrassônicas, tais como os morcegos, golfinhos, mariposas que se movem, acham alimentos e escapam do perigo por meio de ondas ultrassônicas que eles próprios enviam. Por meio de estudos dessa capacidade dos animais que que surgiu Durante a Segunda Guerra Mundial a ideia de desenvolver o sonar, instrumento com capacidade de analisar a profundidade dos mares e localizar objetos sob a água, tais como submarinos. Após essa época as aplicações do ultrassom foram ampliadas nos mais diversas áreas. Sendo o ultrassom A história do US na medicina Em 1940 Karl Theodore Dussik, utilizou o US pela primeira vez em medicina diagnostica na Universidade de Viena em neuropsiquiatria, tentando verificar o tamanho dos ventrículos cerebrais e localizar tumores através da medição da transmissão dos sons pelo crânio. John Wild é considerado o pai da ultrassonografia em medicina, pois construiu, em 1950, um instrumento do modo B para a detecção de tumores de mama. Em 1951, José Holmes juntamente com Howry (engenheiro) construíram o primeiro 2D B-mode scanner linear. Os pioneiros na utilização da ultrassonografia para fins diagnóstico, em 1957, são os médicos Americanos Douglas Howry e Dorothy Howry, nesse tempo a pessoa tinha que estar submersa e imóvel em uma banheira com água para a realização do exame, o que não era nada funcional e tinha como resultado imagens de baixa resolução e qualidade. Ainda nessa mesma década, o método de US que ainda hoje usamos teve seu desenvolvimento, fazendo a troca da banheira com água pelo gel de US, melhorando o contato entre a superfície da pele e o dispositivo que transforma os impulsos elétricos que chegam através do fio em som (“transdutor”), quer dizer transforma energia elétrica em energia sonora. Em 1966, John Reid, Don Blaker e Dennis Watkins aprimoraram o Doppler pulsado, o qual possibilitou a determinação de fluxo sanguíneo baseado em diferentes profundidades no coração. Mais tarde Don Baker, participante de uma equipe de engenharia, ajudou na elaboração da digitação duplex e do Doppler colorido. No início de 1980 iniciaram a aparecer os US em tempo real, que na década de 1990, avançaram com as imagens 3D e 4D. Nos dias de hoje os pacientes são confortavelmente acomodados para os exames de US, tem os transdutores como responsável pela captação dos ecos refletidos do interior do corpo humano e transforma em sinais que são decodificados em imagens para a interpretação do médico. O US é uma técnica mundialmente difundida e utilizada em quase toda a área médica por ser de simples execução, custo baixo quanto comparado a outras técnicas de diagnóstico por imagem, e por não ser invasiva. Esse método por ser utilizado desde a área preventiva até em tratamentos como no controle de lesões. Prelúdio da Ultrassonografia no Brasil No Brasil a ultrassonografia teve sua primícias nos anos 70, voltada principalmente a US obstétrica com os ensinamentos do professor Bonilla, tendo a princípio uma utilidade no acompanhamento pré-natal. O crescimento e penetração da ultrassonografia na área médica cresceu ao ponto de tornar-se quase como um subcampo dentro da especialidade de diagnóstico por imagem. Entre 1960 e 1980, políticas públicas brasileiras geraram seguimentos que moldaram indiretamente e diretamente a representação referencial tecnológica e de captação do US, apontando por tanto o Estado como responsável social significativo para a prática e avanço da ultrassonografia no país. No Brasil decorrer das últimas décadas o US virou um equipamento de grande importância na medicina, somando as imagens 3D e os recursos do efeito Doppler, possibilitando investigações não invasiva e detalhadas que possibilitam a avaliação quantitativa e qualitativa da funcionalidade e morfologia do objeto de estudo. Física do som Quando pensamos na história do som podemos recuar até o momento em que a seleção natural deu a origem a um “ser” com a capacidade de “ouvir”, o que lhe permitiu uma capacidade de sobrevivência maior dos que não tinham essa faculdade. Existem evidências que confirmam que o homem da pré-história já conhecia e praticava música, supostamente devido aos sons da natureza que observavam. Som O som é o resultado da vibração dos corpos, que geram uma onda mecânica e longitudinal, que se propaga de forma circuncêntrica, ou seja, em todas as direções, em meios sólidos, líquidos ou gasosos. Para que haja a propagação das ondas sonoras deve-se haver uma substância que possa ser comprimida, esse é o motivo do som não se propagar no vácuo. A densidade desse meio tem correlação direta com a velocidade de propagação do som, quanto mais denso o meio, maior a velocidade de transmissão da onda sonora. Por tanto é importante lembrar que o som viaja rapidamente através de meios sólidos e que os líquidos transmitem melhor o som que o ar, sendo assim concluímos que algumas substâncias conduzem melhor o som que outras. Eco É o resultado de uma reverberação de múltiplas das ondas sonoras, no âmbito da acústica é o processamento de sinal de sinal de áudio, ou seja, uma reflexão de som, que alcança ao ouvinte pouco tempo após o som direto. Sua medida é feita em Hertz, que significa o número de vibrações por segundo de uma onda sonora, portanto quanto menor o número de Hertz, mais grave será o som, enquanto que quanto maior for o número de Hertz, mais agudo será o som. Acústica O ramo da física que estuda o som é denominado de acústica, é ele que cria instrumentos e ferramentas que possibilitam captar dados necessários aos diferentes ramos da ciência que usufruem dos sons e de seus efeitos e meios de propagação. A história da ciência do som teve seu início na Grécia antiga. O invento do sonómetro, que foi utilizado para estudar os sons musicais, criado por Pitágoras, conhecido pelo teorema sobre o triângulo retângulo. O primeiro a fazer comparação entre ondas sonoras e ondas produzidas por jogar pedrinhas na água tranquila foi o filósofo Romano Boécio. Isaac Newton escreveu o livro The Principia: Mathematical Principles of Natural Philosophy (1986), publicado em 1987 onde escreveu seus princípios matemáticos de filosofia natural que incluíam o primeiro tratado de som e divulgava a primeira teoria matemática sobre a propagação sonora no ar. Tendo alguns dos seus pontos corrigidos e aperfeiçoados posteriormente por Euler, d’Alembert e Lagrange, baseados na mecânica dos meios Contínuos. Lazzaro Spallanzani italiano, sacerdotecatólico, biólogo e fisiologista, em 1973 realizou as primeiras observações sobre os morcegos, sistema de sonar e sua ecolocalização . Ele constatou que os morcegos, mesmo com quando privados da visão, apanham suas presas no ar e desviavam de objetos durante o vôo; já quando privados da audição, mesmo tendo a visão preservada, perdiam o sentido de orientação de vôo. Ondas A denominação para um distúrbio ou perturbação transmitido por entre o vácuo ou de um meio líquido, sólido ou gasoso é onda. Existe uma gama enorme de tipos de onda, como as ondas em uma corda, as ondas do mar, em uma mola, as eletromagnéticas, as sonora, etc. Sendo que as ondas podem distinguir-se em vários pontos, contudo todas têm a capacidade de transmissão de energia de um ponto a outro. Tipos de ondas Com relação ao meio de propagação As ondas são classificadas pelos meios em que se propagam em não-mecânicas e mecânicas. Onda não-mecânicas: não necessitam de um meio material para que se propaguem, tais como as ondas eletromagnéticas. A luz é um exemplo de onda não-mecânica, ela atravessa espaços praticamente vazios como o espaço interestelar. Ondas mecânicas: propagam-se em meios elásticos ou deformáveis. Neste caso exemplificamos com as ondas do mar, ondas em uma corda, ondas água. Surgem de um distúrbio ou desordem em uma parte de um meio elástico. Em meios com propriedades elásticas essa alteração é transmitida continuamente de um local a outro. Quanto a relação entre a direção da propagação e da perturbação Nesse caso elas podem ser classificadas em longitudinais ou transversais. Ondas longitudinais: quando a perturbação é paralela à direção de propagação, um exemplo são as ondas sonoras Ondas Transversais: quando a perturbação é perpendicular à direção da propagação. Temos como exemplo as ondas luminosas pois as oscilações dos vetores campo elétrico e campo magnético sobrevêm em direções perpendiculares a direção da propagação da onda. As ondas ainda podem ser dos tipos estacionárias ou progressivas. Em uma onda estacionária a amplitude é a função da posição do ponto sendo máxima nos ventres, já em um onda progressiva, cada partícula do meio vibra com a mesma amplitude. Princípio da superposição O fenômeno decorrente do cruzamento de duas ou mais ondas em uma mesma região do espaço é denominado de superposição, quando esse cruzamento de duas ou mais ondas dado em um determinado instante, em um mesmo tempo tem-se como perturbação resultando a soma algébrica das perturbações da cada onda envolvida. Este princípio serve tanto para as ondas mecânicas como para as ondas eletromagnéticas. Interferência É a denominação dada ao efeito combinado de duas ou mais ondas em um ponto, é um fenômeno característico e único do movimento ondulatório. A interferências pode ser construtiva ou destrutiva. • Interferência construtiva Resulta da sobreposição de ondas em fase, ou melhor, quando os picos e vales de duas ou mais ondas estão em concordância, levando a soma das amplitudes dessas e tem como consequência o aumento da intensidade da onda. Resumindo diz-se que uma interferência construtiva quando o pulso resultante da superposição é maior que qualquer de seus componentes • Interferência destrutiva Resulta da sobreposição de ondas que não está em fase, ou melhor, quando os picos e vales de duas ou mais ondas estão em discordância, levando a subtração ou mesmo a anulação total das amplitudes dessas ondas. Resumindo a interferência destrutiva ocorre se um pulso é invertido em relação ao outro, durante a superposição, tendo a se anular 3. Velocidade de propagação da onda em meio elástico Lembrando que o meio elástico é constituído de qualquer material que tende a preservar sua forma, volume e comprimento contra as forças externas. Esses materiais possuem a capacidade de retornar a sua condição original após a remoção de forças externas. A velocidade de propagação da onda nesse meio em geral depende da densidade e elasticidade dele. As características de elasticidade e densidade e do meio são influenciadas pela pressão e temperatura do meio por tanto a velocidade de propagação também é dependente da pressão e da temperatura. Um meio não-dispersivo é aquele onde não há alteração na forma da onda na medida que a onda se propaga e mantém a velocidade constante, contanto que que as características de densidade e elasticidade do meio sejam fixadas. Um tipo de onda que não sofre dispersão é a onda sonora no ar, a 20ºC a velocidade do som no ar é de 344m/s, está velocidade é a mesma tanto para o infrassom, som audível e ultrassom. Principais componentes da onda Comprimento de onda é expresso pela equação λ = v/f, onde λ é o comprimento de onda, v é a velocidade de propagação do som (m/s) e f é a frequência, essa mesma equação como demonstrada abaixo serve para o cálculo da velocidade • Velocidade do som: A velocidade que as vibrações ultrassônicas são propagadas através do meio é inversamente proporcional à raiz quadrada do produto da densidade e da compressibilidade adiabática do material. Adiabático se refere ao processo de mudança de um sistema sem influências de trocas térmicas. Reflexão e refração da onda A reflexão ocorre nos limites entre os tecidos diferentes por haver transição das velocidades de propagação da onda. O quanto da energia será refletido vai depender das impedâncias acústicas específicas dos diferentes meios. A reflexão só se produz significativamente (em torno dos 30%) no corpo na transição entre os ossos e os tecidos. Podendo causar acúmulo de energia no tecido periósteo e em doses elevadas, essa energia pode causar danos teciduais e dor. Já na refração ocorre o desvio da direção da propagação da onda, normalmente relacionado a incidência não perpendicular das ondas sônicas. Quando a incidência da onda é perpendicular ao tecido evita o efeito de refração mas potencializa o risco do surgimento de ondas estacionárias, isso ocorre quando se deixa o transdutor parado sobre a área irradiada. Princípios do ultrassom O cientista inglês John William Strutt (Lord Rayleigh) que deu início a física acústica moderna, em 1877, inaugurando com a publicação da “Teoria do som”. Teoria posta em prática durante a Primeira Guerra Mundial com a utilização de geradores de sons de baixa frequência, facilitando assim a navegação submarina por auxiliar na detecção de icebergs. Passados 3 anos, em 1880, houve a descoberta do efeito piezelétrico pelos irmãos Curie, efeito esse que culmina da aplicação de uma pressão mecânica sobre a superfície de certos cristais que tem a propriedade de gerar um potencial elétrico entre superfícies opostas, gerando som numa frequência maior que a de 20KHz, chamado de ultrassom (US).Também observaram que a aplicação do US nos cristais resultava na conversão de energia mecânica em eletricidade e que quando um pulso de US é dirigido a uma substância, uma parte deste som é refletida de volta a sua fonte com informações sobre a natureza do que penetrou O aprimoramento do US para fins militares de deu durante a Segunda Guerra Mundial com o desenvolvimento do Sound Navigationand Ranging (SONAR) para auxiliar na navegação e determinar a distância pelo som. Nessa mesma época se deu o desenvolvimento do Radio Detectionand Ranging (RADAR), detecção de distâncias por meio de ondas de rádio que utiliza os ecos de ondas de rádio para determinar a distância e localização de objetos no ar. Nessa época também surgiram os aparelhos de US para fins não militares, que são considerados os antecessores dos aparelhos de ultrassonografia utilizados na medicina, particularmente na metalúrgica. Sugerido pelo físico soviético Sergei Sokolov em 1928, o uso de energia ultrassônica para os fins industriais, o que incluía a detecção de falhas em metais por emissão de um pulso ultrassônico que ao encontrar um objeto retornava comoum eco, das quais as características possibilitam dizer a localização, o tamanho, textura e velocidade deste objeto. Essas ondas podem ser classificadas em infrassons, sons e ultrassons. O uso do US para a terapia física em especial para membros de equipes do futebol europeu, isso nas décadas de 1920 e 1930. Já a utilização na medicina iniciou-se no âmbito terapêutico, em várias áreas, deste o tratamento de artrite reumatoide até para o tratamento de demências como a doença de Parkinson. Geração de US Os transdutores ultrassônicos, também denominados somente de transdutores, como será utilizado no decorrer desde texto, criam as ondas ultrassônicas. De forma geral o transdutor é um instrumento de conversão, ele converte energia elétrica em energia mecânica e mutuamente, normalmente são produzidos em materiais piezoelétricos, tais como os cristais de quartzo e a turmalina, que dispõem de um fenômeno denominado efeito piezoelétrico. Esse efeito foi descrito em 1880 por Jacques e Pierre Curie, constitui-se em uma modificação das dimensões físicas de alguns materiais quando expostos a campos elétricos. Uma outra forma de geração de perturbação ultrassônica se dá através da passagem de corrente elétrica em metais especiais, que geram vibrações e resultam na geração de calor durante sua utilização, a este metal dá-se o nome de magnetoestritivo. Para a utilização de cristais como transdutores, estes devem ser lapidados de maneira que quando aplicado um campo elétrico alternado nele ocorram alterações em sua espessura que resultem na movimentação das faces do cristal, gerando ondas sonoras. Todo transdutor tem uma frequência de ressonância própria, influenciada pela espessura do cristal. Quanto menor for a espessura do cristal maior frequência de vibração ele terá. O transdutor pode tanto emitir quanto detectar o sinal ultrassônico, já que os ecos que regressam a ele geram vibrações no cristal, promovendo mudanças nas dimensões físicas do cristal, que causam o surgimento de um campo elétrico, que concebe sinais os quais têm a capacidade de serem aumentados e exibidos num registrador ou osciloscópio. O comportamento único desses cristais quando aplicados uma diferença de potencial elétrico entre suas superfícies, levou a idealização da geração de sons em lata frequência quanto aplicação d e pulsos elétricos muito rápidos e alternados. Particularmente na medicina isso concedeu o desenvolvimento de equipamentos de imagem por meio de ultrassom. Lembrando que a definição de ultrassom é qualquer fenômeno ondulatório mecânico que tenha a frequência acima de 20mil ciclos por segundos (20kHz), limite maior que o audível pelo homem. Comportamento do feixe de US O feixe de US não possui uma conduta homogênea, nele é possível identificar dois padrões de campo distintos, sendo eles o campo próximo e o campo distante . Considera-se campo próximo a zona onde não ocorre divergência, na realidade há uma ativa convergência do feixe ultrassônico (os feixes afunilam-se), facilitando o surgimento dos fenômenos de interferência (destrutivas e construtivas) entre as ondas, levando a alterações em suas intensidades, deixando-as heterogêneas ao longo do feixe ultrassônico. A zona onde ocorre a ausência quase que em sua totalidade dos fenômenos de interferência é denominada campo distante. Dessa forma os feixes sônicos são homogêneos e ocorre a redução gradual de sua intensidade a medida que se distancia do transdutor. Implicações das variáveis do US sobre o feixe de emissão O diâmetro do transdutor e o comprimento da onda influenciam no comprimento do campo próximo. Para 1MHz, o transdutor usual de 5 cm2, tendo de 8 a 10 cm de comprimento no campo próximo. No transdutor de 3cm2 tem como resultado um campo próximo de 5 a 6 cm. Com um transdutor de 1cm2 o campo próximo terá cerca de 2 cm de comprimento do emissor de ultrassom. Para 3Mhz o campo próximo será 3 vezes menor, visto que o comprimento resultante da onda é proporcionalmente mais curto. Os efeitos profundos do ultrassom são limitados, sendo que efeitos terapêuticos desejados são os oriundos em especial pelo campo próximo, em decorrência de existir áreas de intensidade acústica elevada rodeadas de áreas de baixa intensidade acústica, possibilitando uma maior diferenciação de tecidos, células e moléculas. Área de radiação efetiva (ERA) A ERA é sempre menor que que área geométrica do transdutor, pelo fato do elemento piezoelétrico (como por exemplo o titanato de chumbo, sigla PZT) não vibra homogeneamente. As doses de ultrassom são dependentes da área a ser tratada e a ERA é um fator dosimétrico importante na determinação da intensidade. Interação do US com tecido Efeitos biológicos do US O US ao passar por um tecido é absorvido e pode causar o aumento da temperatura na região. Esse aumento de temperatura leva a mudanças biológicas idênticas as causadas por outros elementos. Lembrando que a taxa de absorção do US é proporcional ao aumento de sua frequência. Os efeitos biológicos do US também inclui os efeitos ocorrido pelas ditas “forças de radiações” que têm a capacidade de distorcer, deslocar e/ou reordenar células e até mesmo particular intercelulares. Temos ainda a cavitação, que recebe esse nome por gerar bolhas ou cavidades em meios líquidos, compondo-se de quantidades variáveis de vapor ou gás. O US através da cavitação pode alterar a estrutura e/ ou a funcionalidade de macromoléculas em suspensão aquosa ou células biológicas. Isso ocorre por que durante a rarefação, a pressão negativa no tecido, tem a capacidade de causar nos gases capturados ou dissolvidos a união deles levando a formação de bolhas, e quando essas bolhas se rompem tem a liberação de energia capaz de quebrar as ligações moleculares, levando ao surgimento dos radicais livres (RL) OH- e H+. Esses RL são extremamente reativos acarretando mudanças químicas no meio em que se encontram. Resumindo os efeitos biológicos do US são • Fenômeno de cavitação • Efeito químico: pela liberação de substâncias ionizantes, RL • Efeito reflexivo: capacidade de retorno após ter atingido o objeto, como por exemplo o ecograma. • Efeito térmico: a energia promovida pelas ondas sonoras provocam aumento da temperatura ao passar pelo tecido • Efeito mecânico-vibratório: este é mais utilizado na odontologia, como por exemplo na preparação dos canais radiculares por meio da instrumentação, auxiliado pela irrigação simultânea. Absorção e penetração do US Os efeitos biológicos citados acima decorrem da absorção da energia, que varia de tecido a tecido, tendo sua diminuição progressiva conforme a penetração e profundidade que atinge. Um fator que influencia na absorção é a frequência aplicada nos tecidos. Quando ocorre a aplicação de baixa frequência tem-se uma absorção menor na superfície, já quando se aplica uma alta frequência a absorção na superfície será maior. Outro fator importante para a absorção é a composição do tecido sendo maior a absorção em tecidos com maior composição proteica. Grau de profundidade de penetração É denominado grau de profundidade de penetração a maior profundidade na qual espera-se um efeito terapêutico e é medida no local onde ainda se tem 10% da intensidade sônica aplicada na superfície da pele. Já a profundidade média é tida como a distância da direção do feixe ultrassônico onde a intensidade cai pela metade dentro de um certo meio. A medida da absorção nos diferentes tecidos é denominada de coeficiente de absorção. Impedância acústica do tecido A impedância acústica, é medida em Ohms (Ω), é uma medida do material que procede da velocidade de propagação do som no meio (v) e da densidade de massa (rho). Sendo o valor da densidade fator importante na determinação da impedância acústica característica de um tecido e por consequência de sua reflexão. Por tanto temos que o produto da densidadede massa pela velocidade de propagação do som no meio resulta na impedância acústica. Segue exemplo. Na área compartilhada entre o ar e a pele, apenas algo entorno de 0,01% da energia que incide chega a ser transmitida, os outros 99,99% é refletida. Isso demonstra a relevância as utilização de um meio de junção, por exemplo o gel, entre a pele e o transdutor, seja para a utilização do US com fins diagnósticos como para fins terapêuticos ou mesmo estéticos. Essa ocorrência acarreta também na obrigação de condicionar o transdutor do US sempre em contato com a pele, para evitar que a reflexão do ar cause um excesso de retorno de energia ao transdutor, podendo alterar a calibração e até danificar o aparelho de US. Algumas reflexões, acerca de 50%, podem ocorrer nas conexões entre os tecidos, como por exemplo entre tecido e osso, osso e gás.
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