Física (plan 2002) 2021-1

Optativas, Introducción a la Acústica Contemporánea

INTRODUCCIÓN A LA ACÚSTICA CONTEMPORÁNEA

PRIMERA REUNi'ON LUNES 21 a las 17:00 pm

https://meet.google.com/sot-mzcj-wkj

CRÉDITOS: 6

CARÁCTER: OPTATIVA

TIPO: TEÓRICA

HORAS: TEÓRICA 3

HORAS POR SEMANA: 3

Profesores: Raúl Esquivel e Iván Rosado (Instituto de Física, UNAM)

Objetivo general: El objetivo de este curso es que el estudiante comprenda los principios físicos, tanto teóricos como experimentales de la acústica física, con énfasis en aplicaciones en el diagnóstico médico

Objetivos específicos:

1. Brindar al estudiante las herramientas matemáticas necesarias para describir la propagación de ondas acústicas en diversos medios, incluyendo tejido biológico.

2. Presentar los fenómenos físicos de interacción de las ondas de ultrasonido con el tejido biológico, así como los efectos biológicos y riesgos a la salud que resultan de dicha interacción.

3. Describir la instrumentación y aplicaciones clínicas de las diferentes técnicas diagnósticas de ultrasonido (ecografía, técnicas Doppler y elastografía).

Pre-requisitos:

Física: Fenómenos Colectivos

Física Biomédica: Interacción de la Radiación con la Materia

Implementación del curso:

El curso se implementará de manera virtual y será administrado a través de la plataforma Google Classroom (https://classroom.google.com/u/1/c/MTI3MzYzMjQzODM5). Esta plataforma se utilizará para compartir notas de la clase, lecturas para discusión, y tareas.

El curso constará de dos componentes:

1) Clases impartidas por los profesores que cubrirán las bases teóricas de acústica.

2) Presentaciones de estudiantes sobre aplicaciones del ultrasonido en el diagnóstico médico.

Las clases (2 clases por semana de 1.5 horas) se impartirán a través de la plataforma Google Meet y consistirán principalmente en presentaciones de los profesores. Cada capítulo cubierto irá a compañado de una tarea la cual se considerará como entregada (10) o no entregada (0). Las respuestas de las tareas se compartirán a través de Google Classroom. Se utilizará la aplicación Jamboard para la derivación de expresiones matemáticas. El enlace de la clase se compartirá a través de Google Classroom. Las clases se grabarán y se compartirán por Google Classroom para que puedan ser consultadas. Se aplicarán dos examenes (medio término y final). El examen final será comprensivo, es decir, abarcará todo el contenido del curso).

Al final del curso, se dedicarán tres clases para que las/los estudiantes presenten los temas asignados (descripción abajo). Las y los estudiantes evaluarán la presentación de la/el compañero que presente, de manera que obtengan retroalimentación sobre sus técnicas de presentación y las mejoren. La calificación de la presentación se dividirá en el contentido científico (35%), las técnicas de presentación (35%), y la evaluación de las presentaciones de otras/otros compañeros (30%).

Evaluación

Contenido Temático - Capítulos

I.Revisión de mecáncia de medios contínuous (Tarea CI)

Objetivos: El curso comenzará con una repaso de los conceptos de mecánica de medios continuous, incluyendo la definición de esfuerzo y deformación, elasticidad y viscoelasticidad, para concluir con la ecuación de Boltzmann para la relación de esfuerzo y deformación. Se revisarán también modelos viscoelásticos clásicos como Voigt, Maxwell y Zener.

II.Ondas acústicas (Tarea CII)

Objetivos: Este capítulo cubrirá la terminología y bases matemáticas para la descripción de la propagación de ondas acústicas en un medio. Se derivará las ecuaciones de onda lineal y se discutirán soluciones a dicha ecuación, incluyendo ondas armónicas.

III.Reflexión y transmisión (Tarea CIII)

Objetivos: En este capítulo se derivarán expresiones para los coeficientes de reflexión y transmisión de ondas incidentes en superficies planas, así como su uso en la optimización de acoplamiento acústico entre superficies. Se discutirán también fenómenos asociados, como acoplamiento de “cuarto de onda” y conversión de modos de propagación.

IV.Difracción de haces de ultrasonido (Tarea CIV)

Objetivo: Este capítulo se centra en los principios matemáticos para describir la difracción del haz de ultrasonido. Dichos principios se utilizarán para derivar expresiones de los perfiles axiales y laterales de haces producidos por diferentes tipos de fuentes, así como su relación con la resolución espacial.

EXAMEN PARCIAL I

V.Propiedades acústicas de materiales (Tarea CV)

Objetivo: Este capítulo cubrirá los principios físicos de la atenuación de la onda de ultrasonido, así como de las propiedades relacionadas con su propagación como la velocidad, la atenuación y el parámetro de alinealidad. Se presentarán valores de estas propiedades en diferentes tejidos biológicos.

VI.Dispersión de ultrasonido, primer orden - (Tarea CVI)

Objetivo: En este capítulo se derivará la solución de la ecuación de onda para un medio con dispersores (heterogeneidades de comprensibilidad y densidad), bajo la suposición de dispersión de primer orden o dispersión simple. Se discutirán los orígenes de la dispersión coherente e incoherente y su relación con la distribución espacial de dispersores, para concluir con la definición del coeficiente de retrodispersión, su medición y sus valores en tejido biológico.

VII.Dispersión de ultrasonido (segundo orden) y cavitación (Tarea CVII)

Objetivo: En este capítulo se abordará teoría de transporte para modelar matemáticamente la generación y detección de procesos de dispersión múltiple. Se hará especial énfasis en la generación de dispersión múltiple por microburbujas y su uso como medios de contraste. Se discutirán también el comportamiento alineal de las microburbujas (producción de armónicos y subarmónicos). Se descutirán los diferentes tipos de cavitación de las microburbujas y su uso como medios de contraste y agentes terapéuticos.

EXAMEN PARICAL II

PRESENTACIONES DE ESTUDIANTES

I.Transductores de ultrasonido

La/el estudiante describirá:

1. Diferentes principios físicos usados (inducción electroacústica, piezoelectricidad) en el diseño de transductores acústicos.

2. Se discutirán también factores de diseño y construcción de dichos transductores.

II.Instrumentación de imagen por ultrasonido: ecografía

La/el estudiantes describirá:

1. Componentes de un equipo de ultrasonido necesarios para la creación de imágenes convencionales o ecográficas

2. El proceso de adquisición de señales de ecos ultrasónicos y su procesamiento para la formación de imágenes y otros modos de despliegue.

III.Instrumentación de imagen por ultrasonido: técnicas de flujo

La/el estudiante describirá:

1. Principios físicos del efector Doppler

2. Instrumentación de las diferentes modalidades Doppler de análisis de flujo.

IV.Instrumentación de imagen por ultrasonido: elastografía

La/el estudiante describirá:

1. Bases físicas de las técnicas elastográficas

2. Diferentes modalidades de imagen elastográfica

V.Instrumentación de imagen por ultrasonido: medios de contraste

La/el estudiante describirá:

1. Principios físicos de medios de contraste en imagen por ultrasonido

2. Tipos de medios de contraste y técnicas para su visualización

VI.Exposimetría y efectos biológicos

La/el estudiante describirá:

1. Técnicas de medición de deposición de energía acústica y parámetros relacionados.

2. Efectos biológicos y límites de exposición asociados a dichos efectos.

3. Evidencia del riesgo del ultrasonido diagnóstico.

Bibliografía temática

· Morse PM, Ingard KU. Theoretical acoustics. Princeton university press; 1986.

· Lai WM, Rubin DH, Krempl E, Rubin D. Introduction to continuum mechanics. Butterworth-Heinemann; 2009 Jul 23.

· Pierce, Allan D. Acoustics: an introduction to its physical principles and applications. Vol. 678. New York: McGraw-Hill, 1981.

· Lakes, Roderic. Viscoelastic materials. Cambridge university press, 2009.

· Hill, Christopher Rowland, Jeff C. Bamber, and Gail R. ter Haar, eds. "Physical principles of medical ultrasonics." (2004): 2707-2707.

· Shung, K. Kirk, and Gary A. Thieme. Ultrasonic scattering in biological tissues. CRC press, 1992.

· Cobbold, Richard SC. Foundations of biomedical ultrasound. Oxford University Press, 2006.

· Szabo, Thomas L. Diagnostic ultrasound imaging: inside out. Academic Press, 2nd Edition, 2014

· Zagzebski, J. A. "Essentials of ultrasound physics St Louis." Mo: Mosby (1996).

CRONOGRAMA