Sobre a Física Médica

Ultrassonografia: conceitos básicos

Transdutores

Quase todos os métodos de ultrassonografia usam atualmente, em seus diagnósticos médicos, a técnica de eco pulsado.

Nesse método, um transdutor piezelétrico converte pulsos elétricos em pulsos de onda sonora. Essas ondas são refletidas quando passam pelas interfaces do organismo. A energia dessas ondas refletidas volta a incidir no transdutor, que gera um sinal de tensão elétrica. Esse sinal é então ampliado e retificado para formar a imagem.

O efeito piezelétrico é utilizado na tecnologia médica para criar e detectar pulsos ultrassônicos.

Quando um cristal piezelétrico é submetido a um estresse mecânico, as cargas atômicas internas são polarizadas gerando um campo elétrico. E o inverso também ocorre: quando submetido a um campo elétrico, o material sofre deformação em sua espessura, e o movimento das faces do cristal gera as ondas sonoras (assim como um alto falante).

No link abaixo você pode ver uma animação sobre este assunto: PIEZOELETRICIDADE⁽⁵⁾

Devido ao efeito piezelétrico direto e inverso, o mesmo transdutor que emite o sinal ultrassônico pode funcionar como detector (como um microfone), pois os ecos que voltam a ele produzem vibração no cristal, fazendo variar suas dimensões físicas que, por sua vez, acarretam o aparecimento de um campo elétrico. Esse campo gera sinais que podem ser amplificados e mostrados em um osciloscópio ou registrador.

Um pouco mais sobre a piezeletricidade:

Uma das condições básicas para que um cristal seja piezelétrico é que ele não possua centro de simetria de cargas, uma vez que essa propriedade física acarreta uma resposta também simétrica quando submetido a um estímulo externo.

Ao ser tensionado, um material piezelétrico passará a apresentar uma polarização elétrica ou uma mudança de polarização se o material já tiver uma polarização espontânea não nula.

Analisando este efeito em uma molécula neutra; antes de submeter o material a uma força externa, centros gravitacionais de cargas positivas e negativas coincidem (o que está representado na figura 1a). Então os efeitos externos das cargas positivas e negativas são cancelados, resultando em moléculas neutras. Ao exercer uma pressão no material, sua estrutura reticular pode ser deformada, levando a uma separação dos centros gravitacionais de cargas positivas e negativas das moléculas, o que gera pequenos dipolos (figura 1b). As cargas internas dos pólos são mutuamente canceladas e a distribuição das cargas ligadas aparecem na superfície do material (figura 1c), ou seja, o material está polarizado. Esta polarização gera um campo elétrico e pode ser usada para transformar a energia mecânica (deformação do material) em energia elétrica.

Figura 1: O processo de polarização em um cristal piezelétrico. ⁽⁷⁾

Os transdutores de ultrassom são construídos a partir do elemento piezelétrico e podem ter um único elemento ou ser constituído por multielementos.

Dependendo da aplicação, o elemento piezelétrico é quem determina a frequência de operação do transdutor. Em geral, os transdutores são acondicionados em um suporte plástico para lhes dar proteção mecânica e elétrica. Na superfície por onde emergem as ondas ultrassônicas, há uma camada especial para permitir o perfeito acoplamento acústico e também para dar proteção ao elemento piezelétrico. Os transdutores são hermeticamente fechados e tem externamente o dispositivo para a conexão elétrica com o módulo eletrônico do equipamento.

Figura 2: Transdutor com um único elemento piezelétrico. ⁽⁷⁾

Figura 3: Transdutor constituído por multielementos piezelétricos. ⁽²⁾

As imagens de ultrassonografia podem aparecer em três formatos diferentes, os quais são determinados pelo formato e o tipo de transdutor usado.

O tipo de transdutor a ser utilizado é escolhido a partir de dois critérios principais: a chamada “janela acústica”, ou seja, a porta de entrada para o transdutor, e a “área de varredura”.

Tipos de transdutores:

Transdutor setorial: é utilizado para colher dados de regiões com aberturas pequenas, mas que possuem elementos espaçados, ou seja, grande área de varredura.

Figura 4: Transdutores setoriais. ⁽⁶⁾

Transdutor linear: é utilizado em situações nas quais o tamanho do transdutor não é limitado pela anatomia, podendo ser a abertura (janela de entrada) a mais larga possível.

Figura 5: Transdutores lineares. ⁽⁶⁾

Transdutor convexo: é usado quando o transdutor linear tem seu campo de varredura diminuído devido ao formato da superfície.

Figura 6: Transdutores convexos. ⁽⁶⁾

Transdutor endocavitário: Esses transdutores podem ser utilizados dentro do corpo, podendo ser utilizados em regiões como esôfago, por exemplo. Além disso, podem ser introduzidos no coração via cateter.

Figura 7: Transdutores endocavitários, sendo A - endoretal e B – endovaginal. ⁽⁶⁾

Referências:
(1) GARCIA, E. A. C., Biofísica, Ed. Sarvier, 2002.
(2) Okuno, E. e Caldas, I. L. e Chow, C., Física para Ciencias Biológicas e Biomédicas, Ed. Harbra, 1982.
(3) Carr, J. J. e Brown J. M., Introduction to Biomedical Equipment Technology, Ed Prentice Hall, 4ª ed, 2001.
(4) Prof. Dr. Jesus Djalma Pécora (FORP-Usp), Ultra-som, acessado em 5 de dezembro de 2011:
http://www.forp.usp.br/restauradora/us01.htm
(5) Fetal Med, acessado em 5 de dezembro de 2011:
http://www.fetalmed.net/item/efeito-piezoeletrico.html animação
(6) Métodos de imagem, acessado em 5 de dezembro de 2011:
http://www.nuclear.radiologia.nom.br/bv/pt/carminda/pancreat/capit1.htm
(7) Arnau A., Piezoelectric Transducers and Applications Piezoelectric, acessado em 5 de dezembro de 2011:
http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem1_2 007/GeovannaL_Cotta_RF1.pdf