O SOM NA MEDICINA

Embora usualmente consideramos o som em termos de seus efeitos físicos nos nossos ouvidos, esta é uma visão bastante limitada para os nossos propósitos. Aqui discutiremos as propriedades físicas do som e as suas aplicações na medicina. Estas aplicações vão desde o uso do estetoscópio ao uso das modernas técnicas ultra-sônicas para estudar o movimento da válvula do coração e "observar" uma criança por nascer (feto). Discutiremos a física do ouvido e da audição em outra oportunidade.

O som é o maior meio de comunicação e nos dá prazer sob a forma de música. Entretanto, a poluição sonora, ou ruídos de níveis indesejáveis, é um problema crescente na sociedade moderna.

O infra-som se refere às freqüências sonoras abaixo do intervalo auditivo normal, ou menores que 20 Hz. É produzido por fenômenos naturais como ondas de tremor de terra e variações de pressão atmosférica; pode ser também produzido mecanicamente, tal como por um revés num sistema de ventilação. Um sistema de ventilação típico produz freqüências de 10 Hz. Estas freqüências não podem ser ouvidas, mas podem causar dores de cabeça e distúrbios fisiológicos.

O intervalo sonoro audível é usualmente definido como 20 Hz a 20.000 Hz (20 kHz). Entretanto, relativamente poucas pessoas podem ouvir por todo este intervalo. Pessoas idosas freqüentemente perdem a habilidade para ouvir as freqüências acima de 10.000 Hz (=10 kHz).

O intervalo de freqüências acima de 20.000 Hz (= 20 kHz) é chamado ULTRASOM (O ultra-som não deve ser confundido com supersônico, que se refere à velocidades mais rápidas que as velocidades do som num meio). O ultra-som é usado clinicamente em várias especialidades. Existe uma crescente tendência em implantar equipamentos de ultra-som na área de diagnósticos radiológicos, e alguns radiologistas especializam-se nas imagens ultra-sônicas do corpo. O ultra-som é também usado pelos obstetras para examinar o feto. Ele freqüentemente dá mais informações que um raio-X, e é menos perigoso para o bebê.

Neste capítulo discutiremos métodos de se obter informações do som que são produzidos dentro do corpo e sons que são desenvolvidos ao passar através do corpo. Afim de entender como estes sons podem ser usados clinicamente, precisamos discutir e definir algumas das propriedades do som.

1. PROPRIEDADES GERAIS DO SOM

Uma onda sonora é um distúrbio mecânico num gás, num líquido, ou num sólido, que viaja a partir da fonte com alguma velocidade definida. Podemos usar um alto-falante vibrando o ar p'ra frente e p'ra trás, à freqüência f, para demonstrar o comportamento do som. As vibrações causam aumentos e decréscimos locais na pressão relativamente à pressão atmosférica (Fig.1). Estes aumentos de pressão, chamados compressões, e decréscimos, chamados rarefações, espalham-se como uma onda longitudinal, que é uma onda em que as variações de pressão ocorrem na mesma direção da onda viajante. As compressões e rarefações podem também serem descritas pelas variações na densidade e pelo deslocamento dos átomos e moléculas das suas posições de equilíbrio.

A relação entre freqüência de vibração f, o comprimento de onda l, e a velocidade v da onda sonora é

v = l . f

FIGURA 1 - Representação esquemática de uma onda sonora de um alto falante.(a) Um diafragma vibra na freqüência f e produz compressões (aumento de pressão) e rarefações (diminuição de pressão) no ar. (b) A pressão relativa à pressão atmosférica versus distância. P₀ é a máxima variação de pressão do valor da pressão atmosférica, e l é o comprimento de onda

Por exemplo, para uma onda sonora com uma freqüência de 1.000 Hz, v = 344 m/s, no ar

a 20 ºC , l é igual a 0,344m.

A energia é transportada por uma onda na forma de energia cinética e potencial. A intensidade I de uma onda sonora é a energia que atravessa 1 m² em 1 segundo, ou Watts por metro quadrado. Assim,

Para uma onda plana e harmônica, as moléculas vibram como osciladores harmônicos simples e a energia em cada ponto é dada por

Daí, temos

onde r é a densidade do meio; v é a velocidade do som; f é a freqüência; w é a freqüência angular, que é igual a 2 pf; A é o deslocamento máximo (amplitude) dos átomos ou moléculas da posição de equilíbrio.

Define-se impedância acústica como sendo

Z = r . v

Daí, a equação acima ainda pode ser escrita como

..........................(1)

Alguns valores típicos de r, v e Z são dados na Tabela 1.

TABELA 1 - Valores de r, v e Z para as várias substâncias em Freqüências Clínicas de Ultra-som.

	r (Kg/m^3)	v (m/s)	Z (Kg/m^2s)
Ar	1,29	3,31 x 10^2	430
Água	1,00 x 10^3	l4,8 x 10^2	1,48 x 10^6
Cérebro	1,02 x 10^3	15,3 x 10^2	1,56 x 10^6
Músculo	1,04 x 10^3	15,8 x 10^2	1,64 x 10^6
Gordura	0,92 x 10^3	14,5 x 10^2	1,33 x 10^6
Osso	1,9 x 10^3	40,4 x 10^2	7,68 x 10^6

A intensidade I pode ser também expressa como

.................................... (2)

onde P₀ é a máxima variação na pressão.

Exemplo 1

a. A máxima intensidade sonora que o ouvido pode tolerar a 1.000 Hz é aproximadamente 1 W/m². Qual é o deslocamento máximo, no ar, correspondendo a esta intensidade?

SOLUÇÃO

Da equação 1 e Tabela 1, temos

Þ ou

ou 1,1 x10^-3 cm ; ou ainda 0,011 mm.

Este valor é muito pequeno e difícil de ver tal deslocamento de ar (deslocamento menor que uma célula)

b. A mais fraca intensidade sonora que o ouvido pode ouvir em 1.000 Hz é aproximadamente 10^-12 W/m². Quanto é A nestas condições?

SOLUÇÃO

Podemos usar a razão entre o caso a e este caso

A_b = A_a . = = 1,1 x 10^-5.(10^-12/10⁰)^1/2 = 1,1 x 10^-11 m = 0,11 x 10^-12 m = 0,11 Å.

Este deslocamento é menor que o diâmetro do átomo de hidrogênio!(impossível de ser visto)

c. Calcule as pressões sonoras para os casos a e b usando a equação 2.

SOLUÇÃO

P₀ =

= 29 (N/m²) = @ 0,0003 atmosferas ..........(caso a)

P_0b = 2,9 x 10^-5 N/m² = 0,0000000003 atmosferas (caso b)

Para comparação, a atmosfera é por volta de 10⁵ N/m².

Para muitos propósitos não é necessário saber a pressão absoluta ou intensidade absoluta de uma onda sonora. Para comparamos as intensidades I₁ e I₂ de duas ondas sonoras, isto é, a intensidade relativa I₁/I₂, introduzimos o conceito de nível sonoro, da seguinte maneira:

O nível sonoro é expresso em uma unidade especial, o bel, estabelecida em homenagem à Alexander Graham Bell, que inventou o telefone e fez pesquisas com o som e a audição. Assim, se um som é dez vezes mais intenso que o outro, I₂/I₁ = 10; desde que log₁₀(10) = 1, as duas intensidades sonoras diferem por 1 bel. Devido ao bel ser uma unidade grande é comum o uso do decibel (dB) na comparação de duas intensidades sonoras (1 decibel = 10 dB). Esta unidade é freqüentemente usada para descrever a performance dos sistemas hi-fi (alta fidelidade).

Desde que I é proporcional a P², a razão de pressão entre dois níveis sonoros pode ser expressa como

10 log₁₀(P₂²/P₁²), ou

20 log₁₀(P₂/P₁)

Esta expressão para o número de decibéis pode ser usada para comparar quaisquer duas pressões sonoras no mesmo meio. Para dois sons com pressões que diferem por um fator 2 obtemos

20 log₁₀ () = 20 log₁₀ 2 = 20 . (0,301) @ 6 dB

Assim, um conjunto hi-fi que dá uma saída sonora uniforme de ±3 dB (uma variação total de 6 dB) de 30 a 15.000 Hz, tem uma variação de pressão sonora sobre seu intervalo de freqüência de 2. Esta variação não seria percebida pelo ouvido médio exceto sob controladas condições de laboratório.

TABELA 2 Intensidades Aproximadas de Vários Sons.

	Intensidade (W/m^2)	Nível (dB)
som apenas perceptível	10^-12	0
murmúrio	10^-10	20
Residência média	10^-9	30
Escritório	10^-7	50
pancada	10^-6	60
Rua movimentada	10^-5	70
Subterrâneo ou automóvel	10^-3	90
Som que produz dor	10^0	120
Avião a jato	10^1	130
Lançamento de foguetes	10^5	170

Para testes de audição, é conveniente usar uma intensidade sonora de referência (ou pressão sonora de referência) através da qual outras intensidades sonoras possam ser comparadas. A intensidade sonora de referência I₀ é de 10^-16 W/cm² ( = 10^-12 W/m²); P₀ @ 2 x 10^-4 dinas/cm². Uma nota de 1.000 Hz com esta intensidade é apenas audível para uma pessoa com boa audição.

Se uma intensidade sonora é dada em decibéis com nenhuma referência a qualquer outra intensidade sonora, você pode assumir que I₀ é a intensidade de referência. A Tabela 2 dá a intensidade de alguns sons típicos em termos deste valor de referência. O mais intenso som que o ouvido tolera sem dor é de 120 dB. Para 120 dB,

= 10⁶ e = 10^{12 [1]}

REFLEXÃO E REFRAÇÃO DAS ONDAS SONORAS

Quando uma onda sonora bate no corpo, parte da onda é refletida e parte é transmitida através do corpo (Fig.2). A razão da amplitude de pressão refletida R pela amplitude de pressão incidente A₀ depende da impedância acústica dos dois meios, Z₁ e Z₂. A relação é

....................................(3)

Para uma onda sonora no ar batendo no corpo, Z₁ é a impedância acústica do ar e Z₂ é a impedância acústica do tecido. Note que se Z₁ = Z₂, não existe onda refletida e a transmissão para o segundo meio é completa. Também, se Z₂ <<Z₁, a variação de sinal indica a mudança de fase da onda refletida.

FIGURA 2 - Uma onda sonora de amplitude A incide sobre um corpo. Parte da onda de amplitude R, e refletida ,e parte, de amplitude T, é transmitida.

A razão da amplitude de pressão transmitida T pela amplitude da onda incidente A₀ é

.................(4)

As equações (3) e (4) são para as ondas sonoras estritamente perpendiculares à superfície. As equações para ondas sonoras incidindo de diversos ângulos são mais complicadas e não são abordadas neste livro.

É óbvio do exemplo 2 que sempre que as impedâncias acústicas diferirem muito existe quase completa reflexão da intensidade sonora mas não necessariamente da pressão sonora. Isto é verdadeiro independente de qual meio o som tem origem, e é a razão dos sons do coração serem fracamente transmitidos para o ar adjacente ao peito.

Exemplo 2

Calcule as razões das amplitudes de pressão e as intensidades das ondas sonoras transmitida e refletida do ar para o músculo.

SOLUÇÃO

Usando os valores de Z da Tabela 1, nas equações 2 e 4, obtemos as razões das amplitudes de pressão das ondas sonoras refletida e transmitida:

O exemplo 3 mostra que quando as impedâncias acústicas de dois meios são semelhantes quase todo o som é transmitido para o segundo meio. A escolha de materiais com impedâncias acústicas semelhantes é chamada casamento de impedâncias. Para receber energia sonora do corpo requer-se casamento de impedâncias.

Exemplo 3

Calcule as amplitudes e intensidades das ondas sonoras refletida e transmitida da água para o músculo.

SOLUÇÃO

Usando os valores da Tabela 1 nas equações 2 e 4, obtemos

FIGURA 3 - Comportamento de uma onda sonora na interface entre duas substâncias onde ocorrem a reflexão e a refração. A velocidade do som no meio 2 (v₂ ) é maior que no meio 1 (v₁ ).

A razão das intensidades refletida e transmitida são agora

Na nossa discussão da reflexão de uma onda sonora assumimos que a onda era perpendicular à superfície. Assim a onda transmitida veio na mesma reta da onda refletida. Como se comportam as ondas sonoras refletida e transmitida quando uma onda bate com um ângulo q_i numa separação entre dois meios? (Fig.3)

As leis geométricas envolvendo a reflexão e refração são as mesmas que para a luz. Isto significa que q_incidente = q_refletido, ou q_i =q_r. O ângulo da onda sonora refratada q₂ é determinado pelas velocidades do som nos dois meios v₁ e v₂ da equação

Pelo fato do som poder ser refratado, lentes acústicas podem ser construídas para focalizar ondas sonoras.

ABSORÇÃO DAS ONDAS SONORAS

Quando uma onda sonora passa através do tecido, existe alguma perda de energia devido aos efeitos do atrito. A absorção de energia no tecido causa uma redução na amplitude da onda sonora. A amplitude A numa profundidade x cm, num meio, está relacionada à amplitude inicial A₀ (x = 0) pela equação exponencial

A = A₀ e ^{- a x}

onde a, em cm^-1, é o coeficiente de absorção para o meio numa freqüência particular. A Tabela 12.3 dá alguns coeficientes típicos de absorção. A Fig.4 ilustra a absorção exponencial do ultra-som no óleo.

TABELA 3 - Coeficientes de absorção e de espessura para várias substâncias

Material	freqüência (MHz)	a (cm^-1)	Meio-valor de Espessura(cm)
Músculo	1	0,13	2,7
gordura	0,8	0,05	6,9
cérebro(ave)	1	0.11	3,2
osso (crânio humano)	0,6	0,4	0,95
	0,8	0,9	0,34
	1,2	1,7	0,21
	1,6	3,2	0,11
	1,8	4,2	0,08
	2,25	5,3	0,06
	3,5	7,8	0.45
água	1	2,5 x 10^-4	1,4 x 10^3

FIGURA 4 - Absorção de ultra-som. (a) Um feixe ultra-sônico é enviado do transdutor T para uma grande banheira de óleo. (b) Ela é absorvida exponencialmente. A espessura meio-valor é o comprimento da trajetória no óleo que reduz o feixe em 50% de sua intensidade original I₀ .

OBSERVAÇÃO:- A intensidade de meio-valor de camada é igual a

Desde que a intensidade é proporcional ao quadrado da amplitude (equação 1), sua dependência com a profundidade é

I = I₀ e ^{- 2 a x} ...............(5)

onde I₀ é a intensidade incidente em x = 0 e I é a intensidade numa profundidade x no absorvedor. Desde que o coeficiente de absorção na equação (5) é 2a, a intensidade decresce mais rapidamente que a amplitude com a profundidade.

O meio-valor de espessura (HVT = Half-Value Thickness) é a espessura de tecido necessária para diminuir de I₀ a I₀/2. A Tabela 3 dá os HVT's típicos para diferentes tecidos. Note que a alta absorção no crânio humano e que a absorção cresce quando aumenta a freqüência do som. Este aumento de absorção com a freqüência ocorre também para outros tecidos do corpo e limita a máxima freqüência que pode ser usada clinicamente (ver exemplo 4).

Exemplo 4

Qual é a atenuação da intensidade do som por 1 cm de osso em 0,8; 1,2; 1,6 MHz?

SOLUÇÃO

Embora a equação (5) possa ser usada, uma rápida estimativa pode ser feita usando os HVT's dados na Tabela (3). Em 0,8 MHz, o HVT é de 0,34 cm; portanto, 1 cm está ao redor de 3 HVT, e a intensidade é reduzida por 2³, ou por um fator de 8 (isto é, aproximadamente 12 % permanece). Em 1,2 MHz, o HVT é 0,21; 1 cm está perto de 5 HVT, e a intensidade é reduzida por quase 2⁵, ou por um fator de 32 (isto é, aproximadamente 3% permanece). Em 1,6 MHz o HVT é o 0,11 cm; 1 cm está ao redor de 9 HVT, e a intensidade é reduzida por volta de 2⁹, ou por um fator de 512 (isto é, aproximadamente 0,5% permanece).

ESPALHAMENTO

Em adição à absorção do som, o espalhamento, ou divergência do som, faz a intensidade decrescer. Se o som é de uma pequena fonte (fonte pontual) a divergência faz a intensidade decrescer de acordo com a lei do inverso do quadrado. Isto é, I é proporcional a 1/r² onde r é a distância da fonte ao ponto de medição. A fonte clínica típica de ultra-som é pequena (~ 1 cm), mas não é uma fonte pontual ideal.

2. O CORPO COMO UM TAMBOR (PERCUSSÃO NA MEDICINA)

Percussão (tapinha) tem sido usado desde o início da civilização para vários propósitos tais como testar se as paredes são sólidas ou coberturas para esconderijos e se o barril de vinho está cheio ou vazio. O primeiro uso registrado da percussão no corpo humano como um meio de diagnóstico ocorreu no século dezoito. Em 1761, L. Auenbrugger publicou um pequeno livro, “sobre a percussão do peito”, que era baseado nas suas observações clínicas durante sete anos de diferentes sons que ele produziu pelas pancadinhas no peito dos pacientes em vários lugares. Deve ser mencionado que Auenbrugger era um músico talentoso e que seu pai tinha uma hospedaria. Ele provavelmente aprendeu a técnica de percussão batendo em barrís de vinho do seu pai, e seu ouvido musical provavelmente auxiliou-o na interpretação dos sons .

FIGURA 5 - Um método de indução de percussão do peito para as costas. Os dedos de uma mão são mantidos contra a pele e batidos com os dedos da outra mão.

No seu livro, Auenbrugger descreveu como bater no tórax com os dedos (Fig.5) e ele estabeleceu, "o som assim provocado do tórax sadio parece-se com o som sufocado de um tambor coberto com um espesso tecido de lã ou outro envoltório". Ele discutiu ambos os sons ouvidos de objetos sadios e o som ouvido de pacientes com vários sintomas patológicos. Auenbrugger estabeleceu que com a percussão ele poderia diagnosticar câncer, a presença de cavidades anormais em um órgão, e aquelas doenças envolvendo fluidos na região do tórax. Ele confirmou muitos daqueles diagnósticos examinando os corpos após a morte.

A descoberta de Auenbrugger inteiramente ignorada até 1808, quando seu trabalho originalmente publicado em Latim, foi traduzido para o Francês. A percussão tem desde então se tornado uma importante técnica na detecção de doenças.

3. O ESTETOSCÓPIO

Talvez nenhum símbolo está mais associado com o médico do que o estetoscópio pendurado no pescoço ou saindo de sua maleta. Este simples "auxiliar de audição" permite um médico ou enfermeira ouvir sons produzidos dentro do corpo, principalmente do coração e pulmões. O ato de ouvir estes sons com um estetoscópio é chamado “auscultação intermediada”, ou usualmente apenas “auscultação”. (Devemos ser cuidadosos em distinguir auscultação de osculação, que é uma atividade totalmente diferente).

Muitos sons da região toráxica podem ser úteis no diagnóstico da doença. Antes de 1818, o único método disponível para examinar o tórax era sentindo-o com as mãos, percussão e auscultação intermediada com o ouvido diretamente no peito. No “um tratado sobre as doenças do peito e sobre auscultação intermediada” (1818), R.T.H. Laenec descreveu as objeções de se colocar o ouvido diretamente no peito: "é sempre inconveniente para ambos, médico e paciente, e no caso das mulheres, não somente é indelicado, mas freqüentemente impraticável; e para aquela classe de pessoas encontradas nos hospitais é repugnante". Deve ser mencionado que naquele tempo, médicos rotineiramente atendiam chamados em casa e examinavam e tratavam quase todo mundo, em qualquer caso, na sua casa. Somente pacientes pobres iam para o hospital.

Laenec usou auscultação intermediada até 1816 quando ele examinou uma garota com sintomas gerais de uma doença do coração. Como ela era gorda, jovem e mulher, ele sentiu que o método de exame usual não era apropriado. Entretanto, ele lembrou-se que se uma extremidade de um pedaço de madeira é arranhado com um prego, o som pode ser ouvido bem quando na outra extremidade é colocado o ouvido. Ele imediatamente enrolou vários pedaços de papéis num cilindro e levou uma das extremidades ao seu ouvido e a outra ao peito da garota acima do seu coração. O resultado foi dramático e encorajou Laenec a melhorar este instrumento. Eventualmente ele desenvolveu um cilindro oco de madeira de 30 cm de comprimento com um diâmetro interno de aproximadamente de 1 cm e um diâmetro externo de mais ou menos 7,5 cm. Ele chamou-o de estetoscópio. Naquele livro, ele descreveu sua pesquisa sobre o estetoscópio e sua interpretação dos sons naturais e patológicos dos pulmões, coração e voz.

O estetoscópio correntemente em uso está baseado no trabalho original de Laenec. As partes principais de um moderno estetoscópio são o sino, o qual é aberto ou fechado por um fino diafragma, o tubo e as peças auditivas (Fig.6).

Figura 6 - Um esquema de um moderno estetoscópio

O sino aberto é um casamento de impedâncias entre a pele e o ar, e acumula sons da área de contato. A pele sob o sino aberto comporta-se como um diafragma. A pele-diafragma tem uma freqüência de ressonância natural na qual ela transmite mais efetivamente os sons; os fatores controladores da freqüência de ressonância são semelhantes daqueles que controlam as freqüências de vibração de uma corda esticada. Quanto mais esticada a pele ao ser puxada, maior é a sua freqüência de ressonância. Quanto maior o diâmetro do sino, mais baixa a freqüência de ressonância da pele. Assim é possível aumentar o intervalo sonoro de interesse variando o comprimento do sino e variando a pressão do sino contra a pele e assim a tensão do sino. Uma baixa freqüência de ruído do coração parecerá ocorrer se o estetoscópio é pressionado fortemente contra a pele!

Um sino fechado é meramente um sino com um diafragma de freqüência de ressonância conhecida, usualmente alta, que desafina os sons de baixa freqüência. Sua freqüência de ressonância é controlada pelo mesmo fator que controla a freqüência do sino aberto pressionado contra a pele. O estetoscópio de sino fechado é principalmente usado para audição de sons dos pulmões, que são freqüências maiores que os sons do coração. A Fig.7 mostra o intervalo de freqüência típico dos sons do coração e do pulmão.

FIGURA 7 – A maioria dos sons do coração são de baixas freqüências na região onde a sensibilidade da audição é pobre. Os sons dos pulmões tem geralmente freqüências maiores. A curva representa o corte de audição para um bom ouvido. Alguns dos sons do coração e dos pulmões estão abaixo deste corte

Qual é a melhor forma para o sino? Desde que estamos tratando de um sistema fechado na outra extremidade por um diafragma sensível a pressão, o tambor auditivo, é desejável ter-se um sino com um volume tão pequeno quanto possível. Quanto menor o volume de gás, maior a variação de pressão para um dado movimento do diafragma na extremidade do sino.

O volume dos tubos deve também ser pequenos, e deve existir pouca perda por atrito do som nas paredes dos tubos. A pequena restrição de volume sugere tubos de diâmetros pequenos, curtos, enquanto a restrição de baixa fricção sugere tubos de diâmetros largos. Se o diâmetro do tubo é muito pequeno, perdas por atrito ocorrem, e se é muito grande o volume de ar movimentando-se, é muito maior; em ambos os casos a eficiência é reduzida. Abaixo de 100 Hz, o comprimento dos tubos no afeta consideravelmente a eficiência, mas acima desta freqüência a eficiência decresce quando o tubo é aumentado. Em 200 Hz, 15 dB é perdido na variação de um tubo de 7,5 cm de comprimento para um tubo de 66 cm. O ideal é um tubo com um comprimento de 25 cm e um diâmetro de 0,3 cm.

As peças auditivas devem ajustar bem no ouvido porque o escoamento de ar reduz o som ouvido. Quanto mais baixa a freqüência, mais significante o escoamento. Escoamentos também permitem ruído de fundo entrar no ouvido. As peças auditivas são usualmente projetadas para seguir ligeiramente a inclinação do canal do ouvido.

4 - IMAGENS DE ULTRASOM DO CORPO

O ouvido humano responde a sons no intervalo de freqüências de 20 a 20.000 Hz, embora muitos animais possam produzir e ouvir sons de freqüências consideravelmente maiores. Por exemplo, morcegos emitem sons de freqüências ultra-sônicas - 30 a 100 kHz - e voam ouvindo os ecos. Foi descoberto durante a II Guerra Mundial que o homem pode usar ultra-sons em muito situações da mesma maneira que os morcegos. A marinha desenvolveu o sonar (Sound Navigation and Ranging), um método de localizar objetos submersos, tais como submarinos, com ecos ultra-sônicos. Após a II Guerra Mundial engenheiros-médicos desenvolveram técnicas para usar o ultra-som em diagnósticos.

Nesta seção discutimos o uso do ultra-som para produzir imagens para diagnósticos médicos. Basicamente, uma fonte de ultra-som envia um feixe de pulsos sonoros de 1 a 5 MHz através do corpo. O tempo requerido para os pulsos sonoros serem refletidos dá informação da distância das várias estruturas, ou órgãos, no trajeto do feixe ultra-sônico.

Embora existam vários métodos de geração de ultra-som, o mais importante para aplicações médicas envolve efeitos piezoelétricos. Este efeito foi descoberto por Jacques e Pierre Curie por volta de 1880. Muitos cristais podem ser cortados de modo que uma voltagem oscilante através dele produzirá uma vibração semelhante a do cristal, gerando assim uma onda sonora (Fig.8).

Um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica, ou vice-versa, é chamado transdutor. Geradores de ultra-sons são freqüentemente referidos como tradutores.

Cada transdutor tem uma freqüência de ressonância natural de vibração. Quanto mais tênue o cristal, maior a freqüência em que ele oscilará. Para um cristal de quartzo cortado ao longo de um certo eixo (corte - x), uma espessura de 2,85 mm dá uma freqüência de ressonância de 1 MHz.

Figura 8 - Comportamento de um cristal de quartzo usado na produ[ao de ultra-som. (a) Ligacao dos eletrodos; (b) variacao na espessura d do cristal (muito exagerada) devido a uma voltagem alternada aplicada V; (c) o cristal montado numa boquilha para produzir um feixe de ultrasons. Um feixe focalizado e produzido quando uma lente acústica e ligada ao cristal.

Freqüências típicas para trabalhos médicos estão no intervalo de 1 a 5 MHz. Um nível de potência média para aplicações em diagnósticos é uns poucos miliwatts por centímetro quadrado.

Pulsos de ultra-som são transmitidos ao corpo colocando um cristal vibrante em estreito contato com a pele, usando água ou uma pasta gelatinosa para eliminar o ar. Isto dá um bom acoplamento com a pele e aumenta consideravelmente a transmissão do ultra-som no corpo e do eco de volta ao detetor.

O mesmo transdutor que produziu o pulso serve como detetor. As vibrações do cristal produzidas pelos ecos geram uma voltagem sobre ele - exatamente o contrário do que ocorre na produção do ultra-som. Os sinais fracos são então amplificados e mostrados num osciloscópio.

Muitas das aplicações de ultra-som na medicina estão baseadas nos princípios do sonar. Num sonar um pulso de onda sonora é enviado e é refletido no objeto; do tempo requerido para receber o eco e da velocidade conhecida do som na água, a distância do objeto pode ser determinada. Morcegos e golfinhos usam o princípio do sonar para orientação e busca de alimentos (Fig.9). Cegos humanos usam o mesmo princípio quando ouvem os ecos de uma pancadinha de uma bengala para ajudá-lo a evitar grandes objetos.

Para obter informação do diagnóstico sobre a profundidade das estruturas no corpo, enviamos pulsos de ultra-som sobre o corpo e medimos o tempo requerido para receber o som refletido (ecos) em suas várias superfícies. Este procedimento é chamado mapeamento A (ou varredura A, ou modo A, ou scan A) de diagnóstico ultra-sônico. Pulsos para o mapeamento A funcionar são tipicamente de uns poucos microsegundos de extensão. Eles são usualmente emitidos de 400 a 1.000 pulsos/s.

FIGURA 9 - O princípio do sonar. O golfinho envia ondas ultra-sônicas e usa os ecos para localizar o alimento.

O método mapeamento A está ilustrado esquematicamente na Fig.10. Na Fig 10a, um transdutor T envia um pulso de ultra-som através de um béquer de água de diâmetro d. O som é refletido do outro lado do béquer e retorna ao transdutor, que também atua como um receptor. O eco detectado é convertido num sinal elétrico e é mostrado como a deflexão vertical R no tubo de raios catódicos (CRT = Cathode Ray Tube) de um osciloscópio Fig.10a'. Como o eco foi atenuado pela água, R é menor, em amplitude, do que o pulso inicial mostrado no osciloscópio em a'. O tempo requerido para o pulso viajar do transdutor ao lado oposto e voltar ao transdutor está indicado na escala horizontal do osciloscópio. Este tempo pode ser facilmente convertido para a distância usando a velocidade conhecida do som na água (Tabela 1) para calibrar a escala.

FIGURA 10 - Esquema de um mapeamento A. Veja o texto para explicação.

FIGURA 11 - Esquema de um mapeamento A mostrando as múltiplas reflexões que estão ocorrendo. Veja texto para explicação.

Um objeto no béquer pode ser localizado com ultra-som. Na Fig.10b uma superfície S a distância d₁ produz um eco adicional, o qual está disposto no osciloscópio como S na posição d1(Fig.10b'). Note que o eco R é agora menor. Quando a superfície vibra (Fig.10c), a posição do eco no osciloscópio também se move. (Fig.10c').

É possível também ter-se múltiplas reflexões entre as superfícies. A (Fig.11a) ilustra este efeito. Um pulso emitido pelo transdutor T é refletido na parede oposta e volta ao transdutor, onde parte é convertida em sinal e parte é novamente refletida para a parede oposta; esta parte retorna ao transdutor novamente e aparece como um sinal. Um múltiplo de tais ecos aparecem na Fig 11b com um objeto à distância d e um segundo objeto a 2d.

Deve ser lembrado que a base para o uso do ultra-som na medicina é a reflexão parcial do som na superfície entre dois meios que tem diferentes propriedades acústicas. A quantidade de reflexões depende principalmente da diferença nas impedâncias acústicas dos dois materiais e a orientação da superfície com respeito ao feixe. Desde que o transmissor e o detetor estão na mesma unidade, os sinais mais intensos detectados são devidos a reflexões nas superfícies perpendicular ao feixe. A maioria dos diagnósticos que usam ecos ultra-sônicos são sinais muito pequenos devido a fraca reflexão e absorção do som pelo tecido. A grande perda do sinal devido a absorção exponencial do som no tecido pode ser compensada amplificando eletronicamente o eco por uma quantidade proporcional à profundidade do corpo no qual o som é refletido (Fig.12).

FIGURA 12 - Ecos fracos de estrutura profunda pode ser amplificado eletronicamente para tornar-se visível. (a) o pulso transmitido T produz um eco fraco R no CRT. (b) A quantidade amplificada cresce com o tempo (ou distancia). (c) A amplificação cresce com o tamanho do eco.

Um outro problema é a falta de resolução, ou habilidade do equipamento detectar ecos separados de dois objetos muito juntos. Em geral, estruturas menores que o comprimento de onda não podem ser resolvidas. Desde que =v/f, onde v é a velocidade do som e f é a freqüência, sons de alta freqüências tem comprimentos de onda mais curto e permite uma melhor resolução que os sons de baixa freqüência. Por exemplo, o som de 1,2 MHz tem um comprimento de onda na água de 1,5 x 10³/1,2 x 10⁶ = 1,2 x 10^-3 m ou 1,2 mm, enquanto o som de 3,5 MHz tem um comprimento de onda de 0,43 mm. Entretanto, um compromisso deve ser feito na escolha da freqüência desde que a absorção aumenta com o aumento da freqüência. Por exemplo, um sinal de 3,5 MHz não penetra através do crânio tão bem quanto sons de 1,2 MHz (Tabela 3), e tem que atravessar duas vezes o crânio para que o eco atinja o detetor.

Um procedimento mapeamento A, a ecoencefalografia, tem sido usada na detecção de tumores no cérebro. Pulsos de ultra-som são enviados a uma estreita região do crânio ligeiramente acima do ouvido e o eco das diferentes estruturas dentro da cabeça são mostrados num osciloscópio (Fig.13). O procedimento usual é comparar os ecos do lado esquerdo da cabeça com aqueles do lado direito e observar uma mudança na estrutura da linha média. Um tumor num lado do cérebro tende mudar a linha média em direção ao outro lado (Fig.14). Geralmente uma mudança de mais que 3 mm para um adulto ou 2 mm para uma criança é considerado anormal.

Durante a ecoencefalografia cuidados devem ser tomados para que o instrumento possa detectar o eco imediatamente após o pulso inicial do lado mais próximo do crânio. Esta informação é necessária para comparar explorações (enquadramento) do direito ao esquerdo e esquerdo ao direito. É também necessário exercer cuidado em interpretar as figuras de eco quando o crânio é assimétrico para evitar de fazer um falso diagnóstico.

FIGURA 13 - O método mapeamento A para localizará a linha média do cérebro. (ecoencefalografia). Pulsos de ultrasons são enviados ao cérebro pelo transdutor T, e os ecos são mostrados no osciloscópio.

Aplicações do mapeamento A na oftalmologia pode ser dividida em duas áreas: uma está concentrada em obtenção de informações para uso em diagnóstico das doenças do olho; a segunda envolve biometria, ou medidas de distâncias do olho. Em níveis de baixas potências usados, não existe perigo ao olho do paciente. Freqüências ultra-sônicas de até 20 MHz são usadas. Estas altas freqüências podem ser usadas no olho para produzir melhores resoluções pois não existe osso para absorver muita energia, e a absorção não é significante por que o olho é pequeno.

Técnicas de diagnóstico de ultra-som são suplementares aos exames oftalmológicos geralmente praticados; elas podem melhorar a informação sobre as regiões mais profundas do olho e são especialmente úteis quando a córnea ou lente é opaca. O uso do mapeamento A , mais informações ópticas e mesmo de raios-X podem ser necessárias para um diagnóstico completo. Tumores, corpos estranhos e descolamento da retina ( a parte sensível do olho à luz) são alguns dos problemas que podem ser diagnosticado com ultra-som. A Fig.15 é uma visão esquemática de um mapeamento A normal do olho. A Fig.16 mostra um mapeamento A de um severo descolamento da retina

FIGURA 14 - Ecoencefalografia de um cérebro normal e um anormal. (a) Um par de mapeamentos de um cérebro normal. O transdutor T está no lado direito da cabeça no mapeamento de cima e no lado esquerdo no mapeamento de baixo. F indica ecos do lado de trás do crânio. Não existe deslocamento do eco de linha média. (b) Um par de mapeamentos de um cérebro anormal mostrando um deslocamento de 7 mm adiante no lado direito que poderia ser causado por um tumor no lado esquerdo do cérebro. (De M.M.Lapayowker em S. Gottlieb e M. Viamonte (Eds.), DIAGNÓSTICO DE ULTRASOM, Comitê de Novas Tecnologias, Colégio Americano de radiologia, sem data, p. 16)

FIGURA 15 - Um transdutor ultra-sônico T transmite sons através da água do olho, e o som refletido e mostrado num osciloscópio

Sem ultra-som os oftalmologistas podem enxergar o mundo do olho até o nervo óptico, mas medidas do olho tem sido grandemente confinadas ao segmento exterior. Com ultra-som é possível medir distâncias no olho tais como a espessura de lentes, a distância da retina, e a espessura do humor vítreo. Esta informação pode ser combinada com outras quantidades tais como a curvatura da córnea e a prescrição para óculos corretivos para determinar os índices de refração dos componentes do olho.

FIGURA 16 - Estudos ultra-sônicos de uma retina descolada. O CRT mostra um eco s da esclera anterior, um eco r da retina, e um eco s da esclera na parte de trás do olho. Num olho normal o eco da retina mistura-se com o eco da esclera posterior ( De K. Ossoinig, em A. Oksala e H. Gernet (Eds.), ULTRASOM NA OFTALMOLOGIA, Karger, Basel/ New York, 1967, pp. 116-133).

Para muitos propósitos clínicos o mapeamento A tem sido largamente trocado por mapeamento B. O método do mapeamento B é usado para obter visões bidimensional das partes de um corpo. Os princípios são os mesmos daqueles do mapeamento A exceto que o transdutor é movimentado. Como resultado cada eco produz um ponto no osciloscópio na posição correspondente à localização da superfície refletora (Fig.17). Um osciloscópio de armazenamento é usualmente empregado de modo que a última imagem pode ser formada e uma fotografia pode ser feita (Fig.18).

O mapeamento B estabelece informação sobre a estrutura interna do corpo. Eles tem sido usados nos diagnósticos do olho, fígado, seios, coração e feto. Eles podem detectar gravidez muito cedo, como a quinta semana, e pode estabelecer informação sobre anomalias uterinas (Fig.19). Informação sobre o comprimento, localização, e mudança com o tempo de um feto é extremamente útil nos partos normais (Fig.20) e em casos tais como hemorragias anormais e ameaças de aborto. Em muitos casos mapeamento B pode estabelecer mais informações que raios-X, e apresentam menos riscos (ver Capítulo 19). Por exemplo, estudo de raio-X pode somente detectar quisto que produzem soluções radiopacas, enquanto o ultra-som pode ser usado para mostrar muitos tipos de quistos.

Nos trabalhos iniciais com mapeamento B todos os ecos mostrados no CRT tinham o mesmo brilho. O operador poderia excluir ecos de baixas magnitude enviando um controle eletrônico a um valor de corte escolhido. Embora este modo, chamado exposição margem de fundo, é muito útil para muitos propósitos, ela não dá informação dos comprimentos dos ecos. O método melhorado eletronicamente exposição escala-cinzenta muda o brilho no CRT de modo que ecos fortes aparecem mais brilhantes que os fracos. A Fig.21 mostra um mapeamento mostrado em dois modos. Com a exposição escala-cinzenta, tumores no fígado que poderiam ter sidos ocultados com a exposição margem-fundo, tem sido facilmente detectado.

O sucesso da exposição escala cinzenta tem conduzido ao desenvolvimento das exposições coloridas que mostram um intervalo maior de ecos. Um intervalo ainda maior de ecos podem ser mostrados usando exposições digitais. Neste caso o eco ultra-sônico deve ser processado eletronicamente e acoplado a um computador.

FIGURA 17 - Esquema do método do mapeamento B. (a)Quando o transdutor se move para a direita ele produz ecos do objeto inundado. (a') O osciloscópio armazenador mostra um ponto correspondente à localização do eco recebido. Os pontos fora de linha no topo da superfície do objeto. (b) Quando o transdutor é levantado rapidamente enquanto movimenta para a direita ele produz ecos da outra superfície. (b') O mapeamento resultante mostra os lados do objeto.

FIGURA 18 - Uma técnica de ultra-som move o transdutor de uma unidade de mapeamento B sobre o abdome nu de uma paciente grávida enquanto ajusta o brilho da imagem no monitor. Quando uma imagem satisfatória é obtida, uma cópia é feita com a câmara. (Cortesia de Unirad Corporation, Denver, Colo.)

5. ULTRASOM PARA MEDIR MOVIMENTOS

Dois métodos são usados para obter informações sobre movimentos no corpo com ultra-som; o mapeamento M (movimento), que é usado para estudar movimentos tais como aqueles do coração e válvulas cardíacas, e a técnica Doppler, que é usada para medir o fluxo sangüíneo.

O mapeamento M combina certas características do mapeamento A e o mapeamento B. O transdutor é mantido estacionário como no mapeamento A e os ecos aparecem como pontos no mapeamento B.

A Fig.22a mostra um transdutor fixo na posição emitindo um pulso de ultra-som no béquer de água que tem uma interface vibrando nela. A Fig. 22b é um mapeamento B padrão mostrando o movimento da interface no tela do osciloscópio. Quando o traço do osciloscópio é levado a mover-se verticalmente como uma função do tempo, o movimento da interface é mostrada como um mapeamento M como visto na Fig.22c.

FIGURA 19 - O mapeamento B tem um importante uso na medicina. (a) esquema de um corte de uma mulher mostrando um pequeno feto em gestação no útero. (b) Um mapeamento B de um paciente mostrando o saco uterino, o útero e bexiga (Cortesia de Unirad Corporation, Denver, Colo)

FIGURA 20 - Um mapeamento lado a lado de um feto mais desenvolvido que aquele mostrado na Fig. 19. A cabeça fetal e a linha média do cérebro são mostrados claramente. (Cortesia de Kenneth Gottesfeld, M.D, University of Colorado Medical Center, Denver, Colo)

Os mapeamento M são usados para obter informações diagnosticas sobre o coração. Os lugares onde o coração pode ser sondado são muito limitados devido a pobre transmissão ultra-sônica através dos tecidos pulmonares e ossos. O método usual é colocar o transdutor no lado esquerdo do paciente, apontá-lo entre as costelas sobre o coração, e incliná-lo sob diferentes ângulos para explorar várias regiões do coração (Fig. 23). Movendo a sonda é possível obter informações a respeito do comportamento de uma válvula particular ou seção do coração. O examinador deve estar familiarizado com as imagens dos ecos cardíacos específicos para interpretar a informação. Várias condições do coração podem ser diagnosticadas com o mapeamento M; consideremos aqui o mapeamento M da válvula mitral e o mapeamento M mostrando acumulação do fluido no coração (efusão pericardial).

FIGURA 21 - Mapeamento B de ultra-som transversal do abdômen superior. (a) Um esboço identificando as varia estruturas nos mapeamentos (b) Um leading-edge B mapeamento em que todos os ecos são igualmente brilhante. (c) Um mapeamento escala-gray do mesmo paciente em que grande ecos são mais brilhante que pequenos ecos.

Mapeamento A tomado da posição 1 da Fig. 23 mostra reflexões da parede do tórax, a cavidade ventricular direita, o sépto interventricular (IVS), a válvula mitral anterior (AMVL), e a parede posterior do coração. A parte do mapeamento consistindo do sinal AMVL (Fig. 24a) mostra o movimento - abrindo e fechando - da folha anterior da válvula mitral. O movimento está correlacionado à atividade elétrica do coração (ECG), que é gravada simultaneamente. A informação de interesse é a razão de fechamento da válvula mitral. A razão de fechamento para uma válvula normal está indicada pela inclinação na Fig. 24a; neste caso a razão de fechamento é 72 mm/s. A Fig. 24b é um mapeamento M mostrando uma anormalidade chamada estenose mitral ( um estreitamento da na abertura da válvula). A inclinação reduzida para a estenose mitral é bem diferente da inclinação normal - quanto mais baixa a razão de fechamento, maior a quantidade de estenose. A outra válvula do coração pode ser examinada de maneira similar.

Efusão pericardial pode ser facilmente detectada com um mapeamento M. Normalmente o saco pericardial envolvendo o coração está em contato direto com ele. Assim um mapeamento M de um coração normal tomado da posição 1 na Fig. 23 mostraria a parede ventricular direita anterior em contato direto com o pericárdio anterior e a parede estacionária do tórax e a parede ventricular esquerda posterior em contato com o pericárdio posterior. Quando a efusão pericardial ocorre, o espaço entre o coração e pericárdio enche com um fluido que é relativamente livre de eco, e um mapeamento M mostrará uma separação entre o saco e o coração anterior e posteriormente (Fig.25). Este mapeamento pode ser repetido durante o tratamento para determinar se está sendo feito progresso.

Desde os estudos anteriores do som em 1800s, os médicos tem percebido que uma fonte sonora de freqüência f0 tem um tom mais alto quando ela está movendo em direção ao ouvinte e um tom mais baixo quando está afastando-se dele (Fig.26a). Tem também um tom mais alto quando o ouvinte está movendo-se em direção a fonte do que quando ele está se afastando dela (Fig.26b). A variação de freqüência é chamada o desvio Doppler.

Quando a fonte sonora está movendo-se em direção ao ouvinte ou quando ele está movendo-se em direção à fonte, a onda sonora são arrastadas junto e ele ouve uma freqüência maior que f₀. Quando a fonte está movendo-se adiante do ouvinte ou quando ele está se afastando da fonte, ele ouve uma freqüência mais baixa que f₀. Se conhecemos a freqüência f₀ e podemos medir a freqüência que é recebida pelo ouvinte, podemos determinar quão rápido a fonte sonora ou o ouvinte está se movendo. Esta técnica tem sido usada para medir a velocidade de foguetes; um foguete recebe um sinal de radio-freqüência e então retransmite-o para o emissor, que compara o sinal recebido com o original para determinar a velocidade relativa do foguete.

FIGURA 22 - Um esquema do método do mapeamento M. (a) Uma interface vibrante num béquer de água reflete o pulso sonoro do transdutor T. (b) No mapeamento B estacionário a membrana vibrante aparece como uma linha no meio do mapeamento. (c) Quando o feixe de elétron do CRT é movido verticalmente, o movimento da interface vibrante é mostrado como um mapeamento M.

O efeito Doppler pode ser usado para medir a velocidade de movimento de objetos ou fluidos dentro do corpo, tal como o sangue. Quando um feixe contínuo de ultra-som é "recebido" por alguma célula vermelha do sangue numa artéria movendo-se adiante da fonte, o sangue "ouve" uma freqüência ligeiramente mais baixa que a freqüência f₀ original. O sangue envia de volta ecos espalhados do som que ele "ouviu", mas desde que ele agora é uma fonte de som em movimento afastando-se do detetor, existe um outro desvio para uma freqüência ainda mais baixa. O detetor recebe um sinal espalhado de volta que tem sofrido um duplo desvio Doppler. Quando o sangue está movendo-se num ângulo 0 da direção da onda sonora, a variação da freqüência fd é

f_d = )

onde f₀ é a freqüência da onda ultra-sônica inicial, V é a velocidade do sangue, v é a velocidade do som, e q é ângulo entre V e v (Fig.27). Embora existam outros meios de se medir o fluxo sangüíneo, este método tem a vantagem decidida de não requerer catéter na artéria ou cirurgia para implantar dispositivos de medidas.

FIGURA 23 - Vista esquemática do coração sendo mapeado com ultra-som. As costelas estão identificadas com algarismos Romanos. (Cortesia de Richard D. Spangler, M.D., e Michael Johnson, M.D., University of Colorado Medical Center, Denver, Colo.)

O efeito Doppler é também usado para detectar movimentos do coração do feto, cordão umbilical, e placenta afim de determinar a vida fetal durante 12 até 20 períodos semanais de gestação quando sinais radiológicos e clínicos são desaconselháveis. Quando uma onda sonora contínua de freqüência f₀ é incidente sobre o coração fetal, o som refletido é desviado para freqüências ligeiramente maiores que f₀ quando o coração do feto está movendo-se em direção a fonte do som e ligeiramente inferior a f₀ quando o coração do feto está se afastando dele. Variações na freqüência dá a razão pulsação fetal. A Fig.28 mostra o arranjo instrumental para monitoração do coração fetal. A saída pode ser audível ou mostrada num osciloscópio.

Talvez o uso mais comum do efeito Doppler na obstetrícia é na localização do ponto de entrada do cordão umbilical (artéria) na placenta. Esta informação é muito útil se existe hemorragia devida a uma placenta mal localizada ( placenta prévia ) ou se existe uma transfusão intra-uterina por incompatibilidade de Rh. No estudo um, predição de localização por ultra-som Doppler foi examinado por outros métodos e encontrou-se ser mais que 90% preciso. A Fig.29 mostra o desvio de freqüência do efeito Doppler para a placenta e outras regiões no útero grávido. Cuidados devem ser tomados para evitar monitoramento de artérias maternais e veias, que tem uma razão muito mais baixa.

6. EFEITOS FISIOLÓGICOS DA TERAPIA COM ULTRASOM

Vários efeitos físicos e químicos ocorrem quando ondas ultra-sônicas passam através do corpo, e elas podem causar efeitos fisiológicos. A magnitude dos efeitos fisiológicos dependem da freqüência e amplitude do som. Em níveis de intensidade de freqüência muito baixos usados para trabalhos diagnósticos (0.01 W/cm² de potência média e 20 W/cm² de potência de pico) nenhum efeito prejudicial fora observado. Quando a potência é aumentada, o ultra-som torna-se útil na terapia. O ultra-som é usado como um agente auditivo profundo em níveis de intensidade contínuo de 1 W/cm² e como um agente destruidor de tecidos em níveis de intensidade de 10³ W/cm²

FIGURA 24 - Mapeamentos M mostrando o movimento da válvula mitral do coração; a razão em que a válvula fecha é indicada pela inclinação, que esta esboçada abaixo de cada mapeamento. (a) Uma inclinação de 72 mm/s é normal. b Uma inclinação abaixo de 35 mm/s indica uma anormalidade chamada estenose mitral (estreitamento da abertura). (Cortesia de Richard D. Spangler, M.D., e Michael Johnson, M.D., University of Colorado Medical Center, Denver, Colo.)

FIGURA 25 - Um mapeamento M mostrando a acumulação fluida no caso envolvente do coração (efusão pericardial). A sonda foi movida ao ponto A. O esboço à esquerda identifica as estruturas na porção esquerda do mapeamento M, até o ponto A. O esboço à direita, correspondente à porção direita do mapeamento M, mostra o fluido entre o coração e o pericárdio (Cortesia de Richard D. Spangler, M.D. e Michael Johnson, M.D., University of Colorado Medical Center, Denver, Colo.)

O principal efeito físico produzido pelo ultra-som são aumento de temperatura e variações de pressão. O principal efeito usado para terapia é a fonte de temperatura devido a absorção da energia acústica no tecido.

FIGURA 26 - O efeito Doppler (a) O ouvinte escuta uma freqüência maior da fonte sonora movendo-se adiante dele e uma menor quando ela está movendo-se ao seu encontro. (b) O ouvinte escuta uma freqüência maior quando ele está movendo-se adiante da fonte sonora do que quando ele está movendo ao encontro dela. Aqui c é a velocidade do som no ar, v é a velocidade da fonte em a e o ouvinte em b, e f0 é a freqüência na ausência de movimento.

Diatermia ultra-sônica complementa a diatermia eletromagnética de aquecimento profundo. O ultra-som é aplicado com um transdutor de cristal piezelétrico com uma superfície radiante de aproximadamente 10 cm². Uma gelatina ou óleo mineral é usado entre o transdutor e a pele para casamento de impedância. A sonda deve ser calibrada e sintonizada na água antes do tratamento para determinar a intensidade média e a potência total de saída. Um plano de tratamento pode usar intensidades de vários watts por centímetro quadrado por períodos de 3 a 10 min uma ou duas vezes por dia a três vezes por semana. Muitas vezes o aplicador é movido vagarosamente para frente e para trás passando a mão para evitar a formação de "pontos quentes" no tecido. Quando uma junta está sendo tratada, o aplicador deve mover-se sobre toda a superfície externa da junta.

O ultra-som deposita sua energia nos músculos profundos e tecidos do corpo enquanto causa pouca elevação de temperatura nas camadas de tecidos de superfícies moles. Pesquisadores sugerem que o ultra-som é o mais efetivo aquecedor profundo de ossos e juntas. A Fig.30 mostra a mudança de temperatura dentro de uma junta do quadril como uma função do tempo para diatermia de ultra-som e microondas.

Diatermia de ultra-som é útil no tratamento de doenças de juntas e rigidez de juntas. Tem sido usado também nas juntas que tem depósitos de cálcio; existem algumas

indicações que ele ajuda na remoção dos depósitos. Não é usado nas regiões do corpo tais como os olhos e gônodas onde o aumento de temperatura pode causar prejuízo.

FIGURA 27 - Arranjo esquemático para uso do efeito Doppler para medir a velocidade do sangue num vaso sangüíneo. O transdutor contém dois cristais - um para transmitir a onda sonora e outro para receber o eco. Uma onda sonora continua é usada em vez de uma pulsada.

Ondas de ultra-som diferem completamente das ondas eletromagnéticas; elas interagem com o tecido principalmente por movimentos microscópicos das partículas do tecido. Quando uma onda sonora move através do tecido, as regiões de compressão e rarefação causam diferenças de pressão nas regiões adjacentes do tecido. Distensões ocorrem nestas regiões; se a distensão excede o limite elástico do tecido, resulta em rasgo. Isto é porque um tímpano pode ser rompido por uma fonte sonora muito intensa. Em terapia física a intensidade típica é de 1 a 10 W/cm² e a freqüência é de 1 MHz. Usando a equação 1, encontramos que a amplitude de deslocamento A em 10 W/cm² no tecido é de 10^-6 cm; a máxima amplitude de pressão P₀ (Equação 2) é aproximadamente 5 atm. Lembre-se que a variação do máximo para o mínimo de pressão ocorre numa distância de meio comprimento de onda; para uma onda de 1 MHz no tecido, l/2 = 0.7 mm. Assim existe uma substancial variação de pressão numa curta distância. Um feixe de ultra-som com uma intensidade de 35 W/cm² pode produzir variações de pressão de aproximadamente 10 atmosferas! Em freqüências muito altas, a energia pode ser passada para as moléculas tão rapidamente que é impossível para as moléculas dispersar a energia para o tecido vizinho através de vibrações. As moléculas podem ganhar energia suficiente para quebrar suas ligações químicas. Ondas de ultra-som intensas podem mudar a água em H₂ e H₂O₂ e romper moléculas de DNA.

FIGURA 28 - Diagrama esquemático do sensor ultra-sônico em movimento para monitoração do coração fetal (adaptado de Bishop, E.H. " usos obstétricos do sensor ultra-sônico em movimento" Amer. J. Gyneco, 96, 1966, pp. 864-867)a

Pressões negativas no tecido durante a rarefação podem causar gás dissolvidos e sair de soluções e formar bolhas. Esta formação de bolhas, chamada cavitação, pode quebrar ligações moleculares entre o gás e tecido. O colapso das bolhas liberta energia que pode também quebrar ligações. Radicais livres produzidos durante a quebra de ligações pode levar a reações de oxidação.

FIGURA 29 - Vários tipos de sons obtidos de um útero grávido. (De Bishop, E.H., “Obstetric Uses of the Ultrasonic Motion Sensor” Amer. J. Obstet. Gynecol., 96,1966,pp. 864-867).

Em níveis de potência de 10³ W/cm² é possível seletivamente destruir tecidos a uma profundidade desejada usando um feixe de ultra-som focalizado. Trabalhos em cérebros de gatos indicam que o mecanismo para a destruição do tecido parece ser bioquímico e não meramente devido ao aquecimento local.

Poder-se-ía concluir que uma onda de ultra-som intensa seria um agente ideal para destruir tecidos cancerosos. Alguns estudos com ultra-som tem mostrado que destruição de células cancerosas ocorrem em algumas regiões de tumores tratados; entretanto, outras células cancerosas nestes tumores algumas vezes mostram crescimento estimulados. Este método obviamente precisa mais estudo.

FIGURA 30 - Variação na temperatura de uma junta do quadril durante (A) diatermia ultra-sônica e (B) diatermia de microondas. As microondas foram aplicadas durante 5 min e o ultra-som em 6 min como indicado pelas flechas. (Adaptado de J.F.Lehmann et alii, Arch. Phys. Med. Rehabil., 40, 1959, p. 511. 1959 Arch. Phys. Med. Rehabil.)

O ultra-som foi algum tempo usado com sucesso em pacientes que sofriam de doença de Parkinson. Entretanto, encontrou-se que dirigir o som focalizado para corrigir a região do cérebro era difícil. Por causa da possibilidade de complicações devido a pontaria incorreta, o tratamento com ultra-som não está correntemente sendo usado.

Doenças de Maniere, um sintoma envolvendo vertigens e perda de audição, tem sido tratada com intenso ultra-som com aproximadamente 95% de sucesso. O ultra-som destrói tecidos próximos do ouvido médio.

7. A PRODUÇÃO DA FALA

Os sons da fala normal são produzidos por modulação de um fluxo de ar para fora. Para a maioria dos sons os pulmões fornecem o jato de ar, que flui através das cordas vocais , algumas vezes chamadas as glottis, e várias cavidades vocais e saem do corpo através da boca e por um ligeiro grau através da narina (Fig. 31). Os sons da fala produzidos deste modo são chamados sons vocais. Alguns sons são produzidos na porção oral do região vocal sem o uso de cordas vocais - estes são chamados sons não vocais. Exemplos são p, t, k, s, f, th, e ch. O p, t e k são sons "explosivos"; o s, f, e th são sons fricção; e o ch é uma combinação dos dois tipos. Os sons não vocais envolvem fluxo de ar através de compressões ou "past edges" formados pela língua, dentes, lábios e palato. Tente fazer alguns desses sons e note como você usa sua língua, dentes, e lábios no processo.

Nesta seção consideramos somente a produção dos sons vocais. Desde que o mecanismo vocal é muito complexo para examinar em detalhes do ponto de vista acústico, usamos um modelo da região vocal (Fig. 32). Neste modelo, o som é produzido nas cordas vocais e é seletivamente modificado ou filtrado por três cavidades. (Este tipo de modelo é algumas vezes chamado modelo de fonte-filtro).

As cordas vocais estão localizadas dentro da laringe, ou pome-de-adão, no interior da traquéia. A Fig.33 mostra as cordas vocais quando vistas de cima, e Fig.34 mostra um corte vertical da laringe quando vista de frente. Durante a respiração normal as cordas estão bem separadas, formando uma grande abertura triangular (Fig.33a). Na produção dos sons vocais as cordas vocais são trazidas muito próximas por músculos (Fig.33b), o ar nos pulmões é exalado, a pressão abaixo das cordas vocais cresce, e as cordas vocais fechadas são forçadas a abrir. O rápido fluxo de ar resultante para cima causa um decréscimo na pressão entre as cordas devido ao efeito de Bernoulli (ver Seção 8.6). O decréscimo na pressão, juntamente com as forças elásticas nos tecidos, fazem as cordas moverem juntas, parcialmente bloqueando a passagem e assim reduzindo a velocidade do ar. Esta velocidade do ar reduzida aumenta a pressão abaixo das cordas e faz o processo começar novamente

FIGURA 31 - Esquema do mecanismo vocal humano

A freqüência fundamental da complexa vibração resultante depende da massa e tensão das cordas vocais. Homens, que tem cordas vocais maiores e mais pesadas do que as mulheres, tem uma freqüência fundamental típica de 125 Hz; a freqüência fundamental típica para as mulheres é um oitavo mais alta, ou 250 Hz. A freqüência mais baixa que pode ser produzida por um única voz grave é de 64 Hz (C baixo), e a mais alta freqüência que um soprano pode produzir é 2048 Hz (cinco oitavos acima do C baixo).

FIGURA 32 - Modelo do mecanismo vocal humano. (De J.L.Flanagan, Speech Analysis, Synthesis and Perception, 2nd ed., Springer-Verlag, Heidelberg, 1972, p. 24.)

Ondas sonoras glotais passam através de várias cavidades vocais - a faringeal (garganta, cavidades oral, e nasal - que variam ainda mais o som da onda que é emitido. As cavidades da garganta e nasal são muito bem fixados para cada indivíduo e em grande parte determinam o som da voz. Eles não podem ser mudados muito voluntariamente, mas o inchaço dos tecidos devido a uma pedra de gelo alterar-lhes-ão e causará uma mudança na voz. Mudanças na forma da cavidade oral através do movimento da língua, maxilar de baixo, palato mole, e bochecha para determinar os sons específicos que são emitidos. A língua, palato, e bochechas em particular, selecionam os sons desejados a saírem na complicada onda periódica. Você pode sentir esta seleção ao pronunciar sons vogais e alguns dos sons consonantais.

FIGURA 33 - Esboço das cordas vocais quando vistas com um espelho mantido atrás da garganta (a) Abertura normal durante a inspiração. A área escura é a traquéia abaixo das cordas. (b) Durante a fonação (fala). As cordas vocais são desenhadas juntas e vibram quando o ar é forçado passar entre elas

A Fig.35a mostra esquematicamente a velocidade do ar na região glotal. A Fig.35b mostra a modificação no trecho vocal, e Fig.35c mostra a resultante onda sonora radiante. É possível decompor a complexa onda glottal em componentes de freqüências e determinar as amplitudes destas componentes por um método chamado análise de Fourier (Fig.35a). A fig.35b' mostra a transmissão do som característico do trecho vocal. A ação da transmissão característicos do trecho vocal nas componentes de freqüência do som glottal produz o espectro sonoro mostrado na Fig. 35c'. A fala humana é composta de uma rica variedade de sons glotais e na forma de trechos vocais que são determinados pelo sistema nervoso central.

FIGURA 34 - Uma vista de corte da laringe quando olhada de frente.

Quando a sentença " Joe took Father's workbench out " está falando numa voz normal, as energias cinéticas e potencial no som resultante é 3 x 10^-5 para 4 x 10 ^-5 J. Isto é uma quantidade de energia pequeníssima. O tempo necessário para dizer a sentença é em torno de 2s, e a potência média é em torno de 10 a 20 micro-W. Uma pessoa poderia falar continuamente por um ano e não produzir a energia sonora equivalente a energia térmica necessária para ferver uma xícara de água. Podemos ouvir a palavra falada ainda quando a energia é menor por causa da grande sensibilidade do ouvido. Os sons vogais contém muito mais potência que os sons consoantes. Assim sons vogais são mais fáceis de ouvir e entender que sons consoantes. No estudo um a potência relativa entre o som vogal em awl e o som consonantal th em thin foi encontrado ser 680:1. Isto corresponde a 29dB!

Normalmente pensamos em sons produzidos pelo arroto como no tendo nenhum valor prático. Entretanto, pacientes que tiveram suas laringes removidas podem ser ensinadas a engolir ar, para uso controlado de arrotos com uma laringe artificial para produzir sons de voz.

FIGURA 35 - Duas maneira de ver a produção de um som vocal. Onda sonora glotal (a) é modificada pelo região vocal (b) para produzir uma onda radiante (c)A amplitude das freqüências componentes da onda glotal pode ser obtida (a'). Elas são modificadas por uma função que representa as características da região vocal (b') para produzir o espectro acústico da onda radiante (c'). (Adaptado de Gunnar Fant, Teoria Acústica da Produção da Fala, Ó 1970 Mouton, The Hague/Paris, p.19)

QUESTÕES DE REVISÃO

1. O que é infra-som? Ultra-som?

2. Qual é o comprimento de onda de uma onda sonora de 1000 Hz na água se sua velocidade na água é 1480 m/s?

3. Qual é a impedância acústica Z?

4. Qual é o máximo deslocamento no ar para uma onda sonora de 1000Hz com uma intensidade de 50 dB ou 10^-7 W/m²?

5. Se seu próprio grito é 1000 vezes mais intenso que sua voz normal, qual é em dB a diferença entre eles?

6. Para testes de audição, qual é a intensidade sonora de referência ? A pressão sonora de referência?

7. Calcule as amplitudes de pressão relativas das ondas sonoras refletidas e transmitidas da gordura para o músculo usando impedâncias acústicas dadas na Tabela 1

8. Qual é a atenuação da intensidade sonora em 15 cm de tecido do cérebro?

9. Qual é a diferença entre percussão e auscultação?

10. Que fatores afetam a seleção do diâmetro e o comprimento do tubo de um estetoscópio?

11. O que é transdutor?

12. Qual é a diferença entre um mapeamento ultra-sônico A e um mapeamento ultra-sônico B?

13. Qual a vantagem de uma exposição escala-gray sobre uma exposição margem de fundo?

14. Como é o efeito Doppler ultra-sônico usado para monitorar razão de pulsação fetal?

15. Qual nível de potência de ultra-som é usado para terapia de aquecimento profundo?

16. Liste cinco sons não vocais.

17. Qual é a freqüência fundamental típica das cordas vocais do homem? Da mulher?

18. Qual é a potência média típica da voz humana?

19. Por que os sons vogais são mais fáceis de ouvir do que os consonantais?

BIBLIOGRAFIA

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APÊNDICE 1

Ultrasom é muito útil para imaginar as estruturas do corpo. Ultra-som é uma forma de energia não ionizante que se propaga por um meio como ondas de pressão. Se você pudesse medir a perturbação muito pequena da pressão quando uma onda de ultra-som viaja pelo meio, você acharia que ela flutua rapidamente sobre o valor normal da pressão ambiente de fundo, enquanto a onda passa.

Um maneira de nós caracterizarmos uma onda de som é por sua freqüência, quer dizer, o número de oscilações ou flutuações por segundo no meio. Sons audíveis têm freqüências entre aproximadamente 15 ciclos por segundo (15 hertz, Hz) e 20.000 ciclos por segundo (20 kHz). O limite superior de audição humana normalmente é tomado como sendo 20 kHz, e ultra-som se refere a ondas de som cuja freqüência está acima deste nível. Outros mamíferos quase não são tão limitados quanto o homem em termos do alcance útil de freqüência sonora. Por exemplo, morcegos e golfinhos utilizam ondas de ultra-som que têm freqüências tão alto quanto 125 kHz para navegar e visualização sonar.

Foram descritas aplicações médicas de ultra-som que usam freqüências tão baixas quanto 500 kHz até tão altas quanto 30 MHz. Para a maioria das aplicações de imagem, dispositivos de ultra-som operam entre 3,5 MHz e aproximadamente 10 MHz. A exceção é para imagens intravascular, catéter minúsculo de sondas de prova que operam em freqüências tão altas quanto 30 MHz. A ótima freqüência de ultra-som para qualquer aplicação representa de um trade off entre

a) a necessidade para adquirir imagens de ultra-som com um grau alto de resolução de espaço, ditando uso de freqüências mais altas, e

b) a necessidade para obter penetração " adequada " no tecido. Imagens profundas em tecido está limitada por atenuação da onda de ultra-som, e isto fica mais severo quando a freqüência de ultra-som é aumentada.

A modalidade mais comum usada em ultra-som médico é chamada imagem de modo - B. Um transdutor de ultra-som é colocado contra a superfície de pele de pacientes, diretamente em cima da região a ser mapeada. O transdutor envia um pulso muito breve de ultra-som no tecido. O pulso viaja ao longo de um feixe, muito parecido com um feixe de uma luz de sinal em um aeroporto. Interfaces no caminho refletem de volta uma parte da energia de ultra-som para o transdutor. O transdutor, de novo, converte a energia refletida em sinais de eco que são enviados a amplificadores e circuitos de processamento de sinais dentro do hardware da máquina de mapeamento. O exato, micro-segundo decorrido entre quando o transdutor primeiro lançou um pulso de ultra-som e quando apanhou o eco de volta diz à máquina quão distante a interface refletora está do transdutor.

Após todos os ecos serem capturados ao longo do primeira feixe, o transdutor envia um segundo pulso ao longo de uma direção do feixe ligeiramente diferente no tecido. Os ecos são capturados do mesmo modo e são enviados ao hardware de máquina. Então outro pulso é lançado numa direção ainda diferente, e assim sucessivamente. Muito parecido com o feixe de uma luz de sinal é varrido pelo céu noturno, o feixe pulsado de um transdutor de ultra-som é varrido ao longo do corpo, mapeando refletores e outras interfaces e formando imagens bidimensionais.

Os feixes são varridos e são formadas imagens de ultra-som muito rapidamente, essencialmente em " tempo – real. Como os cabos de operador o transdutor em contato com a pele, a imagem aparece ao vivo em um monitor vídeo. Movendo e manipulando o transdutor visões internas diferentes são estabelecidas. As imagens representam visões tomográficas, ou de seções transversais, ou do plano que o feixe foi por ele varrida.

Ultra-som provê imagens de qualquer região no corpo onde há um caminho de tecido mole entre a sonda - ou transdutor de ultra-som - e a região de interesse. Em mapeamentos abdominal, por exemplo, com o transdutor é colocado na superfície de pele abaixo das costelas o sonógrafo pode ver o fígado, vasos sangüíneos dentro do fígado, aorta, rins, pâncreas e baço. Com preparo oral especial, o estômago e até mesmo os intestinos podem ser vistos. São descobertas condições de doença difusas, como cirroses e doença mais ao vivo, focal infiltrada gordurosa, como tumores cancerosos e anormalidades de vasilha. Outras áreas de exame de ultra-som comuns incluem o coração, a pélvis, o pescoço e os braços e pernas. Em algumas aplicações é vantajoso utilizar transdutores de cavidade de intra - uterina para fim para cima visões do útero, os ovários, a próstata e o cólon.

APÊNDICE 2

TERAPIA ULTRA-SÔNICA

O termo " ultra-sônico" refere-se a ondas ou vibrações sonoras que possuem uma freqüência além da capacidade auditiva do ouvido humano. O limite superior de audição de um indivíduo jovem é de cerca de 20.000 ciclos por segundo; por conseguinte, qualquer freqüência superior a 20.000 ciclos por segundo é considerada ultrasônica. A velocidade depende da elasticidade e da densidade do meio através do qual as ondas se propagam. Não podem ser transmitidas através do ar.

EFEITOS FISIOLÓGICOS DO ULTRA-SOM

1. Produção de calor.

2. Alívio do edema.

3. Desagregação de exsudatos e precipitados

4. Aumento do metabolismo intracelular

5. Produção de anestesia local causando alívio imediato da dor.

6. Micromassagem pela penetração profunda das vibrações.

EQUIPAMENTO

O equipamento utilizado para a aplicação terapêutica da energia ultra-sônica consiste em um gerador de corrente de alta freqüência e de um aplicador, algumas vezes conhecido como cabeçote de uItra-som . O gerador produz oscilações elétricas com a freqüência desejada, ocasionando vibração e produção de ondas sonoras pelo transdutor localizado no aplicador. Esta energia sônica é transmitida aos tecidos humanos pela superfície do aplicador

MÉTODOS E TÉCNICAS DE APLICAÇÃO

Como as radiações ultra-sônicas não podem ser transmitidas pelo ar, deve-se estabelecer um contato isento de ar entre o aplicador e o tecido. Por isso, aplica-se um meio de contato entre o aplicador e a pele, como óleo mineral ou água. Se se utilizar óleo, deve ser aplicado na pele do local a ser tratado e a face do aplicador é movida sobre a pele com leve pressão. No caso de áreas maiores, é aplicado com movimentos de deslizamento e, nas áreas menores, com movimento circular. O contato por meio de água representa um método conveniente para o tratamento dos membros. Ao se utilizar a água, tanto a parte do corpo a ser tratada quanto a face do aplicador devem estar imersas. Quando se emprega esta técnica subaquática, o aplicador é mantido a uma distância de 1 a 2 centímetros da pele e é movido lentamente em círculos. A finalidade de mover o cabeçote de ultra-som é assegurar uma distribuição uniforme da energia e evitar a necessidade de localizar com precisão pequenos alvos, tais como nervos, gânglios ou vasos sangüíneos.

A medida que as ondas sonoras se propagam pelo tecido, parte da energia é transformada em calor. Este calor pode atingir uma profundidade de 5 centímetros ou mais. No tecido mais ou menos homogêneo, o aquecimento é muito uniforme. Tal fato é conhecido como aquecimento de volume. Quando os raios ultra-sônicos são detidos por interfaces existentes nos tecidos, como entre os ossos e os músculos, ocorre um aumento de aquecimento local na área da interface. Tal fenômeno tem sido denominado aquecimento estrutural. O aquecimento localizado. nas interfaces, produzido pela radiação ultra-sônica não é causado por nenhuma outra forma de termoterapia.

Em resumo, pode-se dizer que o aquecimento de tecidos pelo ultra-som pode ser obtido com uma profundidade de penetração satisfatória e com máxima absorção pelo tecido muscular. As características do feixe da radiação ultra-sônica, permitem uma melhor localização do que a obtida por outras formas de termoterapia.

DOSAGEM

Na atualidade, não existe nenhuma dosagem estabelecida para a terapia ultra-sônica, mas a dosagem para finalidades terapêuticas deve ser limitada. A dosagem ultra-sônica depende da intensidade e do tempo, sendo o produto destes fatores geralmente expresso em watts-minuto. A intensidade da energia sonora utilizável no cabeçote de ultra-som (transdutor) costuma ser expressa em watts por centímetro quadrado da superfície energizada. As intensidades terapêuticas de 0,5 a 2,0 watts por centímetro quadrado têm-se mostrado úteis. O tratamento subaquático exige maiores intensidades devido à absorção e reflexão das ondas pelo meio. O tempo de tratamento é progressivo, iniciando-se com 5 minutos e aumentando-se este período até um máximo de 8 a 10 minutos por área de tratamento. Uma série de tratamentos requer seis a doze aplicações realizadas diariamente, de acordo com alguns especialistas, ou em dias alternados, de acordo com outros.

Ao determinar a dosagem, é conveniente lembrar que as patologias agudas requerem um tratamento de baixa intensidade, enquanto as patologias crônicas necessitam de uma estimulação fornecida por intensidades maiores. As lesões de localização profunda exigem um tratamento inicial de alta intensidade.

Podem ser observados muitos aspectos a partir da reação do paciente durante o tratamento. Ele não deve sentir dor, nem desconforto. Uma sensação de queimadura, formigamento ou dor, indica que a dosagem é demasiado intensa. (Devido ao aquecimento localizado nas interfaces, pode surgir uma dor nas áreas ósseas sem desconforto na pele.) Tal problema pode resultar: (1) do fato de não se mover o cabeçote de maneira suficientemente rápida, isto é, deixando-o por um período de tempo muito prolongado num local e aumentando a intensidade; ou (2) de um débito energético demasiadamente grande. No primeiro caso deve-se retirar o cabeçote de ultra-som da área de desconforto; no segundo caso, deve-se reduzir a energia do gerador. A dor pode ser considerada como uma linha natural de defesa contra dosagens excessivamente altas. Em geral, é conveniente iniciar o tratamento com dosagens baixas e aumentar progressivamente o tempo e a intensidade.

INDICAÇÕES PARA USO

Em algumas clínicas e hospitais, a terapia ultra-sônica é utilizada em combinação com outras modalidades de fisioterapia, tais como radiação infravermelha, diatermia e banhos de turbilhão.

Os investigadores e clínicos têm utilizado a terapia ultra-sônica para as seguintes doenças:

Bursite Osteoartrite

Cicatrizes Periartrite

Fibrosite Radiculite

Neuroma doloroso Artrite reumatóide

CONTRA-INDICAÇÕES

Apesar de a terapia ultra-sônica ser considerada como uma forma segura de tratamento, não deve ser utilizada em doenças que são agravadas por ela ou no tratamento de doenças que respondem a outros tipos de tratamento.

Alguns especialistas advertiram. contra o uso do ultra-som diretamente sobre o cérebro, olhos, ouvido médio e interno, órgãos reprodutores, plexos viscerais e grandes gânglios vegetativos.

Deve-se evitar a aplicação de ultra-som ao coração e gânglio estrelado nos pacientes com cardiopatias.

Deve-se ter muita cautela ao se considerar o uso do ultra-som em pacientes com doenças malignas, uma vez que foi registrada a ocorrência de estimulação do crescimento do tumor e mesmo de metástases após sua aplicação.

QUESTÕES ADICIONAS sobre a seção 6. Efeitos Fisiológicos da Terapia com Ultra-som.

1. Qual o nível de intensidade de ultra-som para a terapia?

2. Qual o principal efeito físico produzido por ultra-som? E qual o principal efeito para a terapia?

3. Qual a área superficial do transdutor na diatermia por ultra-som?

4. Por que se usa substância gelatinosa (gel) ou óleo mineral entre a transdutor e a pele?

5. Por que se move o aplicador para frente e para trás durante a terapia?

6. Qual é o mais efetivo aquecedor profundo de ossos e juntas? Por que?

7. Cite os tratamentos que se beneficiam da diatermia de ultra-som. O que faz com depósitos de cálcio nas juntas?

8. Onde a diatermia de ultra-som não é usada?

9. O que provoca no tecido uma onda sonora que se move por ele?

10. Em fisioterapia a intensidade típica é de 1 a 10 W/cm² e a freqüência é de 1 MHz. Encontre a amplitude de deslocamento A das moléculas no tecido e a máxima amplitude de pressão P₀, na intensidade de 10 W/cm².
Dica:- Usar as equações 1 e 2.

11. Para uma onda de 1 MHz, qual a distância em que ocorre a variação do máximo para o mínimo da pressão.

12. Qual a variação de pressão produzida por um feixe de ultra-som com intensidade de 35 W/cm²?

13. O que ocorre com as moléculas ao receberem energia em freqüências muito altas?

14. O que uma onda de ultra-som intensa produz na água? E no DNA?

15. O que você entende por cavitação? Qual o seu efeito?

16. O mecanismo para destruir tecidos em cérebros de gatos por um feixe focalizado de ultra-som em nível de potência de 10³ W/cm² é apenas devido ao aquecimento local?

17. Qual o inconveniente apresentado no método que utiliza onda de ultra-som intensa como agente ideal para destruir tecidos cancerosos?

18. Por que o ultra-som não está atualmente sendo usado no tratamento da doença de Parkinson?

19. O que são doenças de Maniére? Como o ultra-som auxilia o seu tratamento?

PROBLEMAS PROPOSTOS NO OKUNO (p. 249)

1. As ondas ultra-sônicas têm muitas aplicações tecnológicas e médicas, pelo fato de altas intensidades poderem ser usadas sem dano ao ouvido. Considere uma onda de ultra-som com intensidade de 10 W/cm². Calcule:

a. O nível de intensidade dessa onda;

b. A energia transmitida numa superfície de 1 cm² em 1 minuto;

c. A amplitude de pressão dessa onda no ar;

d. A intensidade na água de uma onda ultra-sônica com amplitude de pressão encontrada em c.

São dados: r_ar = 1,2 kg/m³ , r_água = 10³ kg/m³, v_ar = 343 m/s a 20ºC e v_água = 1 500 m/s.

2. Compare o comprimento de onda do som audível com o do ultra-som (usado na Medicina) no ar.

3. Compare a intensidade e o nível de intensidade do som audível que o ouvido humano tolera com os do ultra-som usado na diagnose médica e na fisioterapia.

4. Num exame oftalmológico pelo varredura - A detectou-se um eco proveniente de um elemento estranho no humor vítreo. O intervalo de tempo entre o pulso emitido e o eco recebido, medido no osciloscópio, foi de 0,01 ms. A velocidade do ultra-som no humor aquoso é de 1 500 m/s. A que distância da córnea se localiza o corpo estranho?

5. O diâmetro da carótida na altura do pescoço foi medido pela varredura A. O intervalo de tempo decorrido entre a recepção dos ecos provenientes das paredes anterior e posterior da carótida é de 15 ms. Calcule o diâmetro da carótida, supondo que a velocidade do ultra-som nesse meio seja de 1 500 m/s.

6. Calcule o coeficiente de reflexão e de transmissão de ondas ultra-sônicas na interface músculo - osso. Consulte a Tabela 1.

7. Um trem, ao passar por uma estação com velocidade de 100 km/h, apita emitindo um som com uma freqüência de 500 Hz. Quais são as freqüências sonoras do apito ouvidas por uma pessoa na estação, quando o trem se afasta e se aproxima?

8. Um ônibus toca a buzina ao se aproximar de um ponto de parada. Um passageiro parado no ponto afirma que a freqüência da buzina foi de 300 Hz, ao passo que o motorista do ônibus diz que ela foi de 280 Hz. Ambos estão certos? Determine a velocidade do ônibus.

9. Um ônibus está parado no ponto e toca a buzina, esperando um passageiro que se aproxima de carona num carro. O passageiro diz que a freqüência da buzina foi de 300 Hz, ao passo que o motorista do ônibus afirma que ela foi de 280 Hz. Determine a velocidade do carro e compare com a do ônibus do Problema 8.

10. Se o coeficiente de atenuação a de um feixe de ultra-som de 1 MHz no osso for de 1,2 cm^-1, para qual espessura do osso ocorrerá 90% de atenuação desse feixe?

11. Considere uma onda ultra-sônica de 1 MHz, utilizada na diagnose. Ela atravessa 1 cm de músculo e a seguir 1 cm de gordura até atingir o osso. A intensidade inicial do feixe incidente no músculo é de 10 mW/cm². Para ultra-som de 1 MHz, o coeficiente de atenuação do feixe no músculo, na gordura e no osso são respectivamente: 0,13 cm^-1; 0,05 cm^-1 e 1,2 cm^-1. Calcule a intensidade inicial transmitida na gordura e no osso e a intensidade do eco que atinge o transdutor proveniente de interface gordura - osso. Consulte a Tabela 1.

12. Deseja-se medir a velocidade do fluxo sangüíneo na aorta de uma pessoa. Para isso, usa - se a técnica Doppler de ultra-som. Coloca-se um transdutor fazendo um ângulo de 45º com a direção do fluxo sangüíneo. A freqüência do ultra-som é de 5 MHz. A diferença máxima entre a freqüência emitida e a recebida, devida ao efeito Doppler, é de 3 kHz. Sabendo-se que a velocidade do ultra-som no sangue é de 1 500 m/s, calcule a velocidade máxima do fluxo sangüíneo na aorta.

13. O efeito Doppler é usado para examinar o movimento das paredes do coração, principalmente dos fetos. Para isso, ondas ultra-sônicas de comprimento de onda de 0,3 mm são emitidas, na direção do movimento da parede cardíaca. Se as velocidades de movimento dessa parede e do ultra-som no corpo humano forem respectivamente de 7,5 cm/s e 1 500 m/s, calcule a variação de freqüência observada devida ao efeito Doppler
RESPOSTAS DAS QUESTÕES DE REVISÃO

1. O que é infra-som? Ultra-som?

Infra-som – refere-se aos sons com freqüências abaixo de 20 Hz (início do intervalo auditivo normal)
Ultra-som – refere-se aos sons com freqüências acima de 20.000 Hz (fim do intervalo auditivo normal)

2. Qual é o comprimento de onda de uma onda sonora de 1000 Hz na água se sua velocidade na água é 1480 m/s?

Da equação fundamental, temos v = l . f

l =

3. Qual é a impedância acústica Z?

Z = r . v

4. Qual é o máximo deslocamento no ar para uma onda sonora de 1000Hz com uma intensidade de 50 dB ou 10^-7 W/m²?

I = (1/2) r v A² w² = (1/2) Z A² (2 p f)²
10^-7 = (1/2) Z A² (2 p 10³)² Þ 10^-7 = (1/2) 430 (6,28 . 10³)² A²

5. Se seu próprio grito é 1000 vezes mais intenso que sua voz normal, qual é em dB a diferença entre eles?

I_g = 1000 I_v

ou seja, 30 dB

6. Para testes de audição, qual é a intensidade sonora de referência ? A pressão sonora de referência?

I₀ = 10^-12 W/cm² ( = 10^-16 W/cm²) e P₀ = 2 x 10⁴ dinas/cm².

7. Calcule as amplitudes de pressão relativas das ondas sonoras refletidas e transmitidas da gordura para o músculo usando impedâncias acústicas dadas na Tabela 1

Ver o exemplo 2. Gordura ® Músculo

R: amplitude de pressão refletida
T: amplitude de pressão transmitida

A₀ : amplitude de pressão da onda incidente.

..... coeficiente de reflexão

.... coeficiente de transmissão

A razão da intensidade refletida e transmitida é dada por

A soma deve dar 1.

8. Qual é a atenuação da intensidade sonora em 15 cm de tecido do cérebro?

x = 15 cm I = ? I = I₀ e^{- 2 a x}

Para tecido do cérebro Þ a = 0,11 cm^-1 (TABELA 3)

(I/I₀) = e^{- 2 a x} = e^{- 2 0,11 15} = e^-3,3 = 0,0369 @ 0,037 ou a atenuação foi de (100 - 3,7)% ou seja 96,3% da intensidade original.

9. Qual é a diferença entre percussão e auscultação?
AUSCULTAÇÃO – É o ato de ouvir os sons produzidos dentro do corpo (principalmente coração e pulmões) com um estetoscópio.
PERCUSSÃO – ë o som provocado por pancadinhas com os dedos, principalmente no tórax, dos pacientes e constitui uma importante técnica na detecção de doenças. Um tórax sadio apresenta um som sufocado como de um tambor coberto com lã espessa.

10. Que fatores afetam a seleção do diâmetro e o comprimento do tubo de um estetoscópio?

O volume de ar no interior do tubo (quando pequeno produz uma maior variação de pressão para um movimento de diafragma) e o atrito que diminui com diâmetros grandes.
IDEAL: comprimento – 25 cm e diâmetro – 0,3 cm
As peças auditivas devem ser bem projetadas para não haver escape ou penetração de ar para o tubo.

Para freqüências inferiores a 100 Hz o comprimento não afeta a eficiência. Para freqüências superiores a 100 Hz, a eficiência decresce com o comprimento. Por exemplo, a 200 Hz, temos uma perda de 15 dB numa variação de 7,5 cm para 66 cm.

11. O que é transdutor?

São cristais piezoelétricos (geralmente de quartzo) que convertem energia elétrica em energia mecânica e vice-versa.

Quanto mais tênue o cristal Þ maior a freqüência com que oscilará.

D = 2,85 mm Þ f = 1 MHz.

12. Qual é a diferença entre um mapeamento ultra-sônico A e um mapeamento ultra-sônico B?

Mapeamento A – São pulsos de ultra-som de poucos microsegundos enviados sobre o corpo e medido o tempo requerido para receber o som refletido (ecos) em suas várias superfícies. Geralmente são emitidos de 400 a 1000 pulsos por segundo.

Mapeamento B – O princípio é o mesmo do mapeamento A exceto que o transdutor é movimentado. Como resultado cada eco produz um ponto no osciloscópio na posição correspondente à localização da superfície refletora. Um osciloscópio de armazenamento é usualmente empregado de modo que a última imagem pode ser formada e uma fotografia pode ser feita. É usado no diagnóstico do olho, fígado, seio, coração e feto.

13. Qual a vantagem de uma exposição escala-gray sobre uma exposição margem de fundo?

A exposição margem de fundo não dá informação dos comprimentos dos ecos. A exposição escala-cinzenta muda o brilho de acordo com o eco ser forte ou fraco. Tumores no fígado que poderiam ser ocultados com exposição margem de fundo, com a exposição escala-cinzenta são facilmente detectados.

A evolução da exposição escala cinzenta conduz ao desenvolvimento das exposições coloridas que mostram um intervalo maior de ecos e às exposições digitais acopladas a um computador.

14. Como é o efeito Doppler ultra-sônico usado para monitorar razão de pulsação fetal?

Quando uma onda sonora contínua de freqüência f₀ é incidente sobre o coração fetal, o som refletido é desviado para freqüências ligeiramente maiores que f₀ quando o coração do feto está movendo-se em direção a fonte de som e ligeiramente inferior a f₀ quando o coração do feto está se afastando dela. Variações na freqüência dá a razão de pulsação fetal (ver Fig. 28)

15. Qual nível de potência de ultra-som é usado para terapia de aquecimento profundo?

1 a 10 W/cm² e freqüência de 10⁶ Hz = 1 MHz.

Agente auditivo profundo – 1 W/cm²

Agente destruidor de tecidos – 1000 W/cm²

Efeito físico principal – aumento de temperatura e variações de pressão

Efeito para fisioterapia – fonte de calor por absorção da energia acústica no tecido. Diatermia ultrasônica.

16. Liste cinco sons não vocais.

17. Qual é a freqüência fundamental típica das cordas vocais do homem? Da mulher?

18. Qual é a potência média típica da voz humana?

19. Por que os sons vogais são mais fáceis de ouvir do que os consonantais

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[1] I é um trilhão de vezes mais intenso que I_0.