Ultrasuoni: cosa sono e il loro ruolo in medicina

Gli ultrasuoni sono l’energia generata da onde acustiche che viaggiano attraverso dei materiali, solidi o liquidi a 20 kHz o più. Essi trovano applicazione in molti ambiti, dalla medicina ai processi industriali (noti  come “applicazioni ad alta potenza”, il cui range in frequenza è tra 20 e 100 kHz ), come ad  esempio la saldatura ad ultrasuoni.

Come nascono gli ultrasuoni

Il fisiologo e sacerdote italiano Lazzaro Spallanzani (1729-1799) iniziò a studiare gli ultrasuoni conducendo degli esperimenti progettati per spiegare come i pipistrelli fossero in grado di volare di notte. Spallanzani, infatti, ipotizzò che i pipistrelli si affidassero al suono, e non alla vista, per orientarsi.

I pipistrelli e l’ecolocalizzazione

È immediato associare i pipistrelli agli ultrasuoni. Questi animali furono, inizialmente, oggetto di ispirazione per lo sviluppo di nuove tecnologie già a partire da Leonardo Da Vinci il quale, servendosi della sua morfologia, propose un primo modello di ala.

Grazie allo sviluppo di tecnologie per la ricezione di ultrasuoni (onde acustiche a frequenza troppo elevata per essere udibili dall’orecchio umano) si dimostrò che i pipistrelli sfruttando le emissioni ad alta frequenza. Infatti, mediante la laringe riescono producono suoni per orientarsi e a catturare prede.

Essi sono in grado, mediante la loro funzione uditiva, di analizzare le riflessioni degli ostacoli incontrati lungo il percorso di volo che avviene quasi sempre nell’oscurità. Per cacciare le prede i pipistrelli emettono ultrasuoni in diverse bande di frequenze, per poi rivelare gli echi riflessi mediante il loro sistema uditivo  elaborandoli mediante il loro cervello. Riescono, così, a discriminare efficacemente tra un bersaglio di interesse (ad esempio, un insetto) e un bersaglio non interessante (ovvero, un ostacolo).

Prima applicazione pratica degli Ultrasuoni: il Sonar

Il sonar (SOund Navigation And Ranging), la cui invenzione si deve a Paul Langevin nel 1917, può essere considerato “l’antenato” dell’imaging ecografico. Questa tecnica fu sviluppata nel corso della Prima guerra mondiale per l’individuazione di sottomarini. Esso rappresenta la prima applicazione pratica degli ultrasuoni, infatti utilizza la propagazione del suono sott’acqua per la navigazione, comunicazione o per rilevare la presenza e la posizione di sottomarini  o oggetti sotto il livello del mare.

Ultrasuoni e medicina: l’imaging ecografico

A partire dagli anni 40′, gli ultrasuoni iniziarono ad essere utilizzati in campo medico. Le prime applicazioni avevano scopo terapeutico (ad esempio la neurochirurgia) oltre che diagnostico (iperfonografia). Solo negli anni 50′ arrivarono le prime applicazioni diagnostiche pratiche (prima in ostetricia e poi negli altri campi della medicina: addome, pelvi, cardiologia, oftalmologia, ortopedia, ecc..). Vengono così introdotti l’ ecografia ed ecometria (Reid e Wild, 1953).

L’ecografia rappresenta uno strumento molto potente in quanto non ricorre all’uso di radiazioni ionizzanti. Ciò permette di eseguire esami su pazienti più fragili come le donne in gravidanza.L’avvento di sistemi disponibili in commercio consente una più ampia diffusione di questa tecnologia. La tecnica ultrasonografica in ambito medico passa dalla più semplice tecnica “A-mode” alle applicazioni in “B-mode” (quest’ultima corrisponde alla classica visualizzazione che tutti conosciamo).

La sonda ecografica

In campo medico, per produrre e rivelare gli ultrasuoni, si impiega un trasduttore (sonda). Quest’ultimo è composto da uno o più elementi ceramici che possiedono proprietà elettromagnetiche. Essi infatti convertono energia elettrica in energia meccanica per produrre gli ultrasuoni ed energia meccanica in elettrica per rivelarli.

Il materiale piezoelettrico è il componente funzionale del trasduttore. L’effetto piezoelettrico è la proprietà di modificare il volume del materiale generando onde di pressione quando sottoposti a una tensione alternata e viceversa.

Gli ultrasuoni terapeutici

Il meccanismo primario di attenuazione degli ultrasuoni fa si che i tessuti si riscaldino a causa dell’assorbimento. In genere l’aumento di temperatura locale in imaging diagnostico è piccolo. In ambito terapeutico l’assorbimento serve per il trattamento di ipertermia dei tumori (ad esempio il tumore alla prostata). La temperatura del tessuto raggiunge i 50°-100°, creando così un danno tissutale irreversibile (necrosi coagulativa).

Ulteriori applicazioni

Durante gli anni ’60 le applicazioni degli ultrasuoni hanno avuto successo nella saldatura e nella stampa di plastiche e metalli. Al giorno d’oggi le applicazioni di potenza attraverso gli ultrasuoni si dividono in:

• saldatura ad ultrasuoni di materie plastiche: questa tecnica fa uso di vibrazioni in un range tra 20 e i 40 kHz. Risulta essere veloce, pulita, efficiente, ripetibile e poco dispendiosa in termini di consumi.
• taglio ad ultrasuoni di materie plastiche e prodotti alimentari: in questo caso le vibrazioni convergono su una lama senza deformare o rovinare il materiale da tagliare.
  Non ha bisogno di preriscaldamento o preraffreddamento del materiale prima del taglio. Inoltre è molto veloce anche nei casi di grandi superfici.