Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale 16 Maggio 2007 Fisica degli Ultrasuoni.

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1 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli Ultrasuoni

2 Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni T period. u.s. f freq. u.s.

3 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: propagazione. In un determinato mezzo, c = costante, perciò ad ogni frequenza f vi sarà una corrispondente lunghezza d’onda Esempio: supponiamo c = 1540 m/sec. f 1 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz 1,54 mm. 0,31 mm. 0,15 mm. 0,10 mm. 0,08 mm. cvelocità dell’ultrasuono nel mezzo lunghezza d’onda ffrequenza dell’ultrasuono

4 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni propagazione assorbimento riflessione e rifrazione focalizzazione rappresenzatione (A, B, M mode)

5 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: propagazione. Suono20 Hz  18 KHz Ultrasuono18 KHz  1 GHz Ultrasuono 0,5  20 MHz in medicina Le frequenze in gioco: Esempio: supponiamo c = 1540 m/sec… f 1 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz 1,54 mm. 0,31 mm. 0,15 mm. 0,10 mm. 0,08 mm.

6 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: propagazione. I: è l’energia dell’u.s. che viaggia nell’unità di tempo attraverso l’unità di area del mezzo. Cioè è la densità di potenza nel mezzo. [ watt/cm 2 ]  densità del mezzo V 0 velocità della particella costitutente il mezzo

7 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: propagazione. Esiste una relazione analoga a quella di Ohm: V=Z·I (tensione=impedenza x corrente) In cui il mezzo è individuato dalla Impedenza Acustica Z p =  · c · v 0 = Z · v 0

8 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: valori di “c” e “Z” Esempi: f = 1 MHz Materiale Velocità c [msec -1 ] Z [Kgm -2 sec -1 x 10 -5 ] Aria (a T°) 3310.0004 Sangue 15701.61 Cervello 15411.58 Grasso 14501.38 Rene 15611.62 Fegato 15491.65 Muscolo 15851.70 Ossa cranio 40807.80 Acqua 14801.48

9 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: Assorbimento I x = I 0 exp(-  x) Superficie esterna del mezzo Profondità (depth) Coefficiente di assorbimento ove K dipende dal mezzo

10 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: Focalizzazione Andamento del campo acustico X max Zona FRESNEL campo vicino Zona FRAUNHOFER campo lontano

11 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: il compromesso di f U.S. a frequenza minore penetrano maggiormente … … ma U.S. a frequenza maggiore mantengono una migliore focalizzazione: …la frequenza viene scelta in base a questi due vincoli!!!

12 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: Riflessione e Rifrazione U.S. incidente U.S. riflessa o.u.s. trasmessa Mezzo 1 Mezzo 2 i r t i = r Legge di Snell Legge della rilessione

13 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: Riflessione e Rifrazione Tessuto-ariatissue-air0.9995 tessuto-acquatissue-water0.05 grasso-muscolo fat-muscle0.10 muscolo-sangue muscle-blood0.03 muscolo-ossomuscle-bone0.64 Si possono definire i coefficienti di riflessione e di assorbimento:

14 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Fisica degli ultrasuoni: Assorbimento Mezzo 1Mezzo 2 xdxd

15 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler L’effetto Doppler è il cambiamento di frequenza di un’ onda che si osserva a causa del moto relativo tra sorgente dell’onda ed osservatore.

16 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler L’effetto Doppler è il cambiamento di frequenza di un’ onda che si osserva a causa del moto relativo tra sorgente dell’onda ed osservatore.

17 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler Se l’ osservatore si muove verso la sorgente con velocità v, la frequenza rivelata da esso è maggiore; v

18 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler Se l ’ osservatore si muove in una direzione che forma un angolo δθ rispetto alla velocità della sorgente allora la frequenza rivelata è θ v

19 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler Se l ’ osservatore si muove in una direzione che forma un angolo δθ rispetto alla velocità della sorgente allora la frequenza rivelata è θ v

20 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler Se l ’ osservatore si muove in una direzione che forma un angolo δθ rispetto alla velocità della sorgente allora la frequenza rivelata è θ v

21 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler Se l’ osservatore è fermo e la sorgente si muove in direzione dell’ osservatore con velocità v, allora la frequenza rivelata da esso è: θ v

22 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler Nel caso delle applicazioni dell’ effetto Doppler in ecografia un fascio di ultrasuoni viene retrodiffuso da una cellula in movimento, in questo caso i due effetti di allontanamento (avvicinamento) della cellula e dell’ onda diffusa si combinano e si ottiene che:

23 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler Il cosiddetto Doppler Shift e dati dall’equazione (…dato che c>>v) N.B. le frequenze dello shift Doppler sono nel range dell’udibile !! Si possono ascoltare e registrare con gli ecografi

24 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler Quanto prima esposto vale nel caso semplificato in cui trasmettitore e ricevitore del fascio ultrasonoro coincidano Se così non fosse e fosse presente un angolo d tra emettitore e ricevitore, allora le equazioni andrebbero modificate !!

25 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler

26 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Effetto Doppler

27 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Struttura generale di un oscilloscopio

28 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Il funzionamento V anodo-catodo VxVx VyVy

29 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: A Mode

30 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: A Mode

31 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: A Mode

32 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: B Mode

33 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: B Mode

34 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: B Mode

35 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: M-Mode

36 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: M-Mode

37 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: M-Mode

38 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: M Mode

39 Fisica degli Ultrasuoni Università degli Studi “Federico II” di Napoli Prof. M. Bracale e-mail: bracale@unina.it 16 Maggio 2007 Ecografia: Le sonde (Dynamics Focusing)