Scopri la Fisica degli Ultrasuoni e le Sorprendenti Applicazioni in Ecografia!

Gli ultrasuoni sono onde acustiche caratterizzate da frequenze superiori al limite superiore di udibilità per l'orecchio umano.

Fondamenti Fisici degli Ultrasuoni

Le onde acustiche sono onde meccaniche e pertanto richiedono un mezzo fisico per la loro propagazione. Le particelle del mezzo vengono messe in oscillazione attorno alla loro posizione di equilibrio, generando compressioni e rarefazioni del mezzo stesso (solido, liquido o gassoso). La perturbazione meccanica prodotta ha le caratteristiche di un’onda di pressione che trasporta energia.

Nei fluidi (liquidi e gas) l’onda acustica è longitudinale, in quanto l’oscillazione delle particelle attorno alla loro posizione di equilibrio coincide con la direzione di propagazione dell’onda.

Attenuazione e Riflessione

Durante l’attraversamento dei mezzi, le onde ultrasoniche sono soggette a fenomeni di attenuazione che agiscono in maniera dissipativa. L’attenuazione del fascio di ultrasuoni è legata anche alla diversa densità dei tessuti (osso, grasso, muscolo) che un fascio di ultrasuoni incontra nell'attraversare un essere vivente. Nel caso di generazione e propagazione di US in un mezzo diverso dall’aria, la differenza di impedenza fra il mezzo in cui vengono generati (ad esempio l'acqua) e l'aria, tipicamente comporta un’elevata riflessione all'interfaccia.

Quando un fascio di ultrasuoni attraversa due tessuti diversi si verificano inoltre fenomeni di riflessione dell’onda (eco) proprio sulla superficie che divide i due tessuti. Misurando il tempo necessario perché questa “eco” del fascio di ultrasuoni torni verso il punto da cui era partito il fascio di ultrasuoni (ad esempio la sonda di un apparecchio ecografico) si può stimare la profondità a cui si trova la superficie che ha generato l’eco.

Cavitazione

Infine nel caso di generazione e propagazione degli US in acqua diventa rilevante il fenomeno della cavitazione che si basa sulla formazione, crescita ed eventuale collasso di microbolle all’interno del fluido. Nella cosiddetta cavitazione stabile o non inerziale vengono indotte oscillazioni sia nel mezzo che della stessa bolla senza comportarne la rottura.

Applicazioni Mediche degli Ultrasuoni

Nel settore medico, si trovano applicazioni sia in ambito diagnostico che terapeutico.

Ecografia Diagnostica

Per il settore diagnostico, l’ecografia rappresenta la principale applicazione. Circa il 20% delle procedure di imaging diagnostico utilizza ultrasuoni, per il costo relativamente basso dell’attrezzatura e anche per il fatto che la tecnica è generalmente percepita e considerata sicura. L’applicazione più diffusa e più nota degli ultrasuoni in medicina è l’ecografia diagnostica. La combinazione di alta frequenza (che ne limita la propagazione in aria) e limitata intensità rende questa metodica priva da rischi per gli operatori che la eseguono ed estremamente sicura e affidabile anche per le persone che vi si sottopongono.

Ultrasuoni Terapeutici

Molto diffusi nel settore terapeutico sono gli ablatori a ultrasuoni, ampiamente utilizzati in ambito odontoiatrico per la rimozione dell’accumulo di placca e tartaro. Gli ablatori funzionano in genere a basse frequenze, 20-30 kHz, e utilizzano un applicatore (punta dell’ablatore) che viene messo in vibrazione sull’area interessata. Sempre nel settore terapeutico, la tecnica denominata High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) si basa sulla focalizzazione degli ultrasuoni ad alta potenza sulla zona da trattare e viene impiegata prevalentemente per la cura dei tumori.

Un’ulteriore interessante applicazione medica nel settore chirurgico è il bisturi a ultrasuoni, per ottenere dissezione, taglio e coagulo dei tessuti molli. In ambito estetico, gli ultrasuoni sono impiegati per il peeling (asportazione delle cellule morte superficiali della pelle) e per trattamenti di ringiovanimento cutaneo (rassodamento).

Alcune applicazioni terapeutiche degli ultrasuoni sfruttano invece un’altra loro caratteristica: la possibilità di rilasciare energia (onda d’urto) in un punto specifico. Ne è un esempio la litotripsia extracorporea ad onde d'urto che viene utilizzata per ridurre le dimensioni dei calcoli renali; oppure, la possibilità di focalizzare gli ultrasuoni in un punto per produrre un innalzamento della temperatura tale da necrotizzare i tessuti tumorali e distruggerli.

Altre Applicazioni degli Ultrasuoni

Applicazioni Industriali

Tra le applicazioni a bassa potenza rientrano le tecniche non distruttive passive (emissione acustica) per la rilevazione di crepe o difetti invisibili, o attive, in cui un impulso acustico viene inviato in una struttura per monitorare i cambiamenti nella sua integrità, lo spessore o le prestazioni delle strutture stesse. Nella stessa categoria sono compresi anche i pulitori ad ultrasuoni, generalmente utilizzati a frequenze comprese tra 20 e 40 kHz per la pulizia di un’ampia varietà di oggetti: gioielli, lenti e altre parti ottiche, orologi, strumenti dentali, strumenti chirurgici, vetreria, ecc.

Nelle applicazioni industriali ad alta potenza, l’uso degli ultrasuoni ha l’obiettivo di esporre il pezzo in lavorazione a un’energia vibratoria di intensità sufficiente per provocarne un cambiamento fisico permanente. Tale condizione si verifica nel caso della saldatura/incollaggio di materiali plastici, per la realizzazione di imballaggi, componenti automobilistici, giocattoli, ecc. Quando il dispositivo vibrante emittente ultrasuoni (generalmente intorno ai 20-40 kHz) incontra tali materiali, le catene di molecole all’interno del materiale stesso vengono messe in vibrazione, sfregandosi l’una sull’altra, producendo calore per attrito e provocando la fusione.

Applicazioni Commerciali

Le principali applicazioni commerciali degli ultrasuoni invece riguardano umidificatori dell’aria, sistemi per il parcheggio facilitato delle auto, allarmi, antifurto, apriporta automatici, ecc.

Effetti degli Ultrasuoni e Sicurezza

In generale il rischio occupazionale da esposizione a US è legato principalmente alla possibilità che il lavoratore possa entrare accidentalmente a contatto diretto con gli US generati dalla sorgente.

Effetti sull’apparato uditivo: Tali effetti si riferiscono a US a bassa frequenza, fino circa a 100 kHz. Può verificarsi un innalzamento temporaneo della soglia uditiva che può portare nel tempo ad una perdita significativa dell’udito.
Effetti soggettivi: La percezione di tali effetti può variare da individuo a individuo. Sono stati segnalati affaticamento eccessivo, cefalea, nausea, vomito, gastralgie, sensazione di occlusione e pressione nell’orecchio, ronzii, disturbi del sonno, perdita del senso di equilibrio, vertigini ecc.
Effetti di cavitazione: Effetti di cavitazione in organi/tessuti contenenti gas anche disciolti.
Effetti termici: Si riferiscono principalmente ad US a frequenze > 1 MHz. L’assorbimento localizzato o diffuso di energia può provocare il riscaldamento del tessuto interessato, con entità dipendente dalla frequenza ultrasonica.

L’orecchio umano percepisce suoni compresi in determinate frequenze. La frequenza di un suono dà una misura dell’onda che lo genera e si misura in Hertz (abbreviato Hz): 1 Hz equivale a un’onda che fa un ciclo al secondo (ossia si ripete ogni secondo). Gli ultrasuoni generalmente si diffondono nei materiali, compresi i tessuti biologici.

La velocità di propagazione degli ultrasuoni dipende dalla densità del mezzo attraversato: sono più lenti nell'aria o nei gas, più veloci nei solidi.

Oltre alle applicazioni mediche, gli ultrasuoni, per questa loro caratteristica, sono utilizzati anche per ottenere informazioni sulla struttura interna di manufatti, costruzioni, strutture geologiche e altro ancora, misurandone le variazioni di intensità.