US com efeito DOPPLER

O Efeito Doppler é uma característica observada nas ondas quando emitidas ou refletidas por um objeto que está em movimento com relação ao observador. Foi-lhe atribuído este nome em homenagem a Johann Christian Andreas Doppler, que o descreveu teoricamente pela primeira vez em 1842. A primeira comprovaçao foi obtida pelo cientista alemão Christoph B. Ballot, em 1845, numa experiência com ondas sonoras.
Em ondas eletromagnéticas, este mesmo fenômeno foi descoberto de maneira independente, em 1848, pelo francês Hippolyte Fizeau. Por este motivo, o efeito Doppler também é chamado efeito Doppler-Fizeau.

Ilustração das ondas sonoras emitidas de um objecto em movimento.

 Características

Ondas emitidas por objetos estáticos se propagam em todas as direções de maneira uniforme. Seu comprimento de onda é λ=2π/β, sendo β uma constante que define o meio pelo qual a onda de propaga, chamada constante de fase. A velocidade de fase da onda é dada por Vf=λf, logo λ=Vf/f. Quando um objeto está em movimento, as ondas emitidas estão em pontos diferentes ao longo da trajetória. Isto implica que cada onda emitida está mais próxima da onda anteriormente emitida, logo seu comprimento de onda tem um valor diferente, dependendo do ponto onde se observe a onda. O comprimento de onda observado é maior ou menor conforme sua fonte se afaste ou se aproxime do observador. Se o comprimento de onda variar, a sua frequência varia também.
No caso de aproximação, a frequência aparente da onda recebida pelo observador fica maior que a frequência emitida. Ao contrário, no caso de afastamento, a frequência aparente diminui.
Um exemplo: ao atirar uma pedra em um lago, se olharmos por cima veremos que as ondas estão igualmente espaçadas. Quando uma pedra é atirada de modo a quicar na superfície da água, observamos que à frente da pedra a distância entre as ondas é menor. Se o comprimento de onda diminui, a frequência aumenta. Quando o objeto se afasta, a distância entre as ondas é maior, o que implica que a frequência é menor.
Outro exemplo típico é o caso de uma ambulância com sirene ligada que passe por um observador. Ao se aproximar, o som é mais agudo e ao se afastar, o som é mais grave. De modo análogo, ao trafegar em uma estrada, o ruído do motor de um automóvel que vem em sentido contrário apresenta-se mais agudo enquanto ele se aproxima e mais grave a partir do momento em que se afasta (após cruzar com o observador).
Para a luz, este fenómeno é observável quando a fonte e o observador se afastam ou se aproximam com grande velocidade relativa. Neste caso, o espectro da luz recebida apresenta desvio para o vermelho (quando se afastam) e desvio para o violeta (quando se aproximam).

Medida de velocidades

O efeito Doppler permite medir a velocidade de objectos através da reflexão de ondas emitidas pelo próprio equipamento de medida, que podem ser radares, baseados em radiofrequência, ou lasers, que utilizam frequências luminosas. É muito utilizado para medir a velocidade de automóveis, aviões, bolas de tênis e qualquer outro objeto que cause reflexão, como, na Mecânica dos fluidos e na Hidráulica, partículas sólidas dentro de um fluido em escoamento.
Basicamente um radar detecta a posição e velocidade de um objeto transmitindo uma onda e observando o eco. Um radar de pulso emite uma rajada (Burst) curta de energia. Depois o receptor é ligado para “escutar” o eco. O transmissor do radar pode operar melhor se uma onda for emitida continuamente, desde que haja a possibilidade de separar o sinal transmitido do eco no receptor. A potencia do eco é da ordem de 10 ⁻ 18 vezes menor que o sinal transmitido, ou até menor. O desvio de frequência resultante de objetos em movimento é conhecido como “Frequência de desvio Doppler” (FD). Se há uma distância X entre o objeto e o radar, o número total de comprimentos de onda existentes entre o sinal do radar e do objeto é dado por 2R/ λ. Já que uma onda corresponde a 2π radianos, a excursão angular entre o caminho de ida e volta do objeto é 4πR/λ = Φ. Para objetos em movimento a distância muda sempre, o que implica que Φ também varia. Uma mudança de Φ no tempo implica mudança de frequência. A frequência de desvio Doppler é a diferença entre a frequência da onda transmitida (Ft) e a frequência recebida no receptor (Fr): Ft = |Ft-Fr| ω = 2πFd

Algumas Aplicações

• Em astronomia, permite a medida da velocidade relativa das estrelas e outros objetos celestes luminosos em relação à Terra. Estas medidas permitiram aos astrónomos concluir que o universo está em expansão, pois quanto maior a distância desses objetos, maior o desvio para o vermelho observado. O Efeito Doppler para ondas eletromagnéticas tem sido de grande uso em astronomia e resulta em desvio para o vermelho ou azul.
• Na medicina, um ecocardiograma utiliza este efeito para medir a direção e velocidade do fluxo sanguíneo ou do tecido cardíaco. O ultra-som Doppler é uma forma especial do ultra-som, útil na avaliação do fluxo sanguíneo do útero e vasos fetais. Pode ser mostrado de várias formas: com som audível, com espectro de cores dentro do vaso ou na forma de gráficos que permitem a mensuração na velocidade sanguínea nos tecidos normais.
• O efeito Doppler é de extrema importância em comunicações a partir de objetos em rápido movimento, como no caso dos satélites.

Características da US

Esta modalidade de diagnóstico por imagem apresenta características próprias:

• É um método não invasivo ou minimamente invasivo.
• Apresenta a anatomia em imagens seccionais ou tridimensionais, que podem se adquiridas em qualquer orientação espacial.
• Não possui efeitos nocivos significativos dentro das especificações de uso diagnostico na medicina.
• Não utiliza radiação ionizante.
• Possibilita o estudo não invasivo da hemodinâmica corporal através do efeito Doppler.
• Permite a aquisição de imagens dinâmicas, em tempo real, possibilitando estudos do movimento das estruturas corporais.

O desenvolvimento contínuo de novas técnicas, a saber: o mapeamento Doppler, os meios de contraste, os sistemas de processamento de imagens em 3D, as imagens de harmônicas e a elastometria exigem um conhecimento ainda mais amplo dos fenômenos físicos.
A ultrassonografia pode contribuir como auxílio no diagnóstico médico e veterinário, sendo sua aplicação mais ampla atualmente em seres humanos. Pode acompanhar durante a gravidez o bebê desde seus primórdios ao nascimento, avaliando aspectos morfofuncionais. Permite ainda a orientação de processos invasivos mesmo antes do nascimento.

A US

A ultrassonografia (ou ecografia) é um método diagnóstico que aproveita o eco produzido pelo som para ver em tempo real as reflexões produzidas pelas estruturas e órgãos do organismo. Os aparelhos de ultrassom em geral utilizam uma frequência variada dependendo do tipo de transdutor, desde 2 até 14 MHz, emitindo através de uma fonte de cristal piezoelétrico que fica em contato com a pele e recebendo os ecos gerados, que são interpretados através da computação gráfica. Quanto maior a frequência maior a resolução obtida. Conforme a densidade e composição das estruturas a atenuação e mudança de fase dos sinais emitidos varia, sendo possível a tradução em uma escala de cinza, que formará a imagem dos órgãos internos.

A ultrassonografia é um dos métodos de diagnóstico por imagem mais versáteis e ubíquos, de aplicação relativamente simples e com baixo custo operacional. A partir dos ultimos vinte anos do século XX, o desenvolvimento tecnológico transformou esse método em um instrumento poderoso de investigação médica dirigida, exigindo treinamento constante e uma conduta participativa do usuário.

De som para imagem

A criação de uma imagem digital a partir de som se dá em 3 etapas:

 Produção da onda sonora,

 Recepção do eco e

 Interpretação do eco recebido.

•  Produção da onda sonora

Uma onda sonora é produzida tipicamente por um transdutor piezoelétrico (algo como um microfone). Fortes e curtos pulsos elétricos originados no aparelho de ultrassom fazem com que o transdutor emita som em uma determinada frequência. A frequência pode ser ente 2 e 18MHz. O som é direcionado pelo formato do transdutor, um tipo de lente acoplada a ele ou por sistemas mais complexos de controle. O direcionamento produz uma onda sonora em forma de arco. A onda se move para dentro do corpo do paciente e atinge o foco em uma determinada profundidade.

O som é parcialmente refletido (aí está o eco) pelas camadas formadas por diferentes tecidos do corpo. Especificamente, o som é refletido em qualquer lugar em que a densidade do corpo muda.

 Recepção dos ecos

O retorno da onda sonora ao transdutor resulta no mesmo processo que foi necessário para emitir o som, só que ao contrário. O retorno das ondas sonoras faz vibrar o transdutor, que transforma as vibrações em pulsos elétricos que se deslocam para o scanner de ultrassom. O scanner processa os pulsos elétricos e os transforma em uma imagem digital.

•  Formação da imagem

O scanner sonográfico determina três informações de cada eco recebido:

1. Quanto tempo levou desde a transmissão até a recepção do eco.

2. A partir do intervalo de tempo, calcula a distância (profundidade) onde o foco se formou, possibilitando uma imagem nítida do eco na dada profundidade.

3. Qual a intensidade do eco.

Quando o scanner sonográfico determina estas 3 informações, ele pode alocar cada pixel da imagem em uma intensidade.

A transformação do sinal recebido em uma imagem pode ser explicada usando uma planilha para uma analogia. Imagine o transdutor localizado na primeira linha, ocupando várias colunas. Ele manda pulsos para baixo, em cada coluna da planilha. Então espera para ver quanto tempo cada pulso leva para retornar (eco). Quando mais demorar, mais o sinal se deslocam para baixo na coluna correspondente. A intensidade do eco determina a cor que a célula vai ter (branco para um eco forte, preto para um muito fraco, e graduações de cinza para as intensidades intermediárias). Quando todos os ecos retornam e toda a informação é armazenada na planilha, a imagem está pronta.

Breve história da ultra-sonografia

A "Teoria do Som" foi publicada pela primeira vez em 1877, por um cientista inglês chamado Lorde Rayleigh. Este tratado praticamente inaugurou a física acústica moderna.

Durante a Primeira Guerra Mundial, esta teoria foi posta em prática. A utilização de geradores de sons de baixa freqüência facilitava a navegação submarina, permitindo a detecção de icebergs distantes até 5 quilômetros.

Durante a Segunda Guerra Mundial, o estudo da utilidade dos ultra-sons para fins militares foi aprimorado com o desenvolvimento do SONAR . O desenvolvimento do RADAR utilizava-se, analogamente, do eco de ondas de rádio para a determinação de distâncias e localização de objetos no ar.
A utilização dos ultra-sons em medicina foi feita primeiramente no âmbito terapêutico, desde o tratamento de artrite reumatóide até tentativas de remissão da Doença de Parkinson em neurocirurgia. Em 1940, chegou a ser considerado uma verdadeira panacéia, mas como sua utilização não se fundamentava em comprovações científicas, o método foi gradativamente abandonado devido à falta de resultados satisfatórios.

Nesta mesma década, idos de 1940, o ultra-som foi utilizado pela primeira vez em medicina diagnóstica. Karl Theodore Dussik, neuropsiquiatra da Universidade de Viena, tentava localizar tumores e verificar o tamanho dos ventrículos cerebrais, através da mensuração da transmissão dos sons pelo crânio.

O médico Americano Douglas Howry, auxiliado por sua esposa também médica, Dorothy Howry, também é considerado um dos pioneiros na utilização da ultra-sonografia diagnóstica, tendo sido condecorado pela Sociedade de Radiologia da América do Norte em 1.957. Entretanto, nesta época o paciente tinha que ficar submerso e imóvel dentro de uma banheira com água para a realização do exame (vide ilustração). Um procedimento nada prático e que produzia imagens de baixa qualidade e resolução.

Na década de 1950, foi desenvolvido o método utilizado ainda hoje. A banheira de água foi substituída por uma pequena quantidade de gel (parecido com aquele usado nos cabelos), que serve para aumentar e melhorar a superfície de contato entre a pele e o "transdutor". O transdutor é o nome dado a qualquer dispositivo que transforme um tipo de energia em outro; como exemplo, podemos citar de forma análoga um alto-falante, que transforma os impulsos elétricos que chegam através dos fios em som, ou seja, energia elétrica em energia sonora.

Na natureza encontramos exemplos de animais que utilizam o ultra-som para se localizar e caçar, como os golfinhos e os morcegos, que não tendo uma visão muito aguçada, substituíram-na pela audição.

A primeira observação sobre os morcegos foi feita em 1793, por Spallanzani, naturalista italiano. Constatou que os morcegos, mesmo impedidos de enxergar, desviavam-se de obstáculos e apanhavam as suas presas no ar. Ao contrário, quando eram impedidos de ouvir, através da aplicação de tampões de cera em seus ouvidos, porém com a visão mantida, perdiam completamente a capacidade de orientação em vôo.