LECOGRAFIA Principi fisici e applicazioni Giorgio De Nunzio

L’ECOGRAFIA Principi fisici e applicazioni Giorgio De Nunzio

Introduzione n n n n Metodo di diagnostica per immagini dei tessuti molli, basato sulla riflessione delle onde sonore, emesse da un trasduttore, nei tessuti del paziente. Il risultato di un esame ecografico è usualmente un’immagine bidimensionale che ricostruisce una sezione degli organi. Le onde sonore sono onde meccaniche longitudinali (onde di compressione ed espansione del mezzo di propagazione). Il campo di udibilità dell’orecchio umano è compreso approssimativamente tra 20 Hz e 20000 Hz; si definiscono ultrasuoni le onde di frequenza superiore a 20 k. Hz. In ecografia, si utilizzano ultrasuoni compresi tra 2 MHz e 15 MHz. Le frequenze più elevate in quest’intervallo, pur beneficiando di maggior potere risolutivo in quanto di minor lunghezza d’onda, soffrono di una minore capacità di penetrazione nel corpo del paziente. Le onde sono generate da un cristallo piezoceramico inserito in una sonda (trasduttore). Tra la sonda e la pelle del paziente è spalmato un gel che evita l’interposizione di aria e impedisce quindi che gli ultrasuoni subiscano una significativa attenuazione ancor prima di penetrare nel paziente. Oltre ad emettere gli impulsi ultrasonici, la sonda ha la funzione di raccogliere il segnale di ritorno (l’eco) e di trasmetterlo a un computer per l’elaborazione e la visualizzazione dell’immagine ricostruita. Tramite sistemi ecografici è possibile sia ottenere informazioni anatomiche sugli organi interni del corpo, sia misurare il flusso sanguigno nei vasi del paziente (sfruttando l’effetto Doppler).

Da http: //www. avenuemedia. eu/source/congressi_2010/Corso_Congiunto_2010/relazioni/Valeria_Bovina. pdf

A sinistra, un ecografo; a destra, due diverse sonde, per scansione settoriale (“forma” del campo visivo a settore di corona circolare) e per scansione lineare (campo visivo rettangolare, più stretto); sotto ciascuna sonda, le immagini che si possono rispettivamente ottenere.

Onde longitudinali e onde trasversali Il suono consiste nella propagazione di onde di pressione essenzialmente longitudinali in un mezzo elastico, dovute al susseguirsi di espansioni e compressioni del mezzo. In un fluido le onde sonore sono esclusivamente longitudinali (forze di taglio praticamente assenti), e in un solido di piccole dimensioni le onde trasversali sono trascurabili. In un solido di grande estensione la propagazione trasversale non può essere ignorata (terremoto!). La sorgente dell’onda sonora è un elemento vibrante che comunica il proprio movimento al mezzo, costringendo le particelle che lo compongono a oscillare e a trasmettere a loro volta, per interazione elastica, la perturbazione alle particelle vicine, senza trasporto di materia. Infrasuoni (f < 20 Hz) Frequenza di vibrazione f : Suoni udibili (20 Hz < f < 20 KHz) Ultrasuoni (f > 20 KHz) US

Frequenza, lunghezza d’onda, velocità f = c /l La velocità di propagazione c dipende dal mezzo: La relazione che lega c alle proprietà del mezzo dipende dallo stato di aggregazione (solido, liquido, gassoso): n (longitudinale) In tutti i casi: Dipendenza inversa dalla radice quadrata della densità del mezzo

Coefficiente di compressibilità La compressibilità di una sostanza è caratterizzata dal coefficiente di compressibilità, che misura la variazione relativa di volume che subisce la sostanza per un aumento unitario della pressione applicata: b = –ΔV / (V Δp) b ha pertanto le dimensioni dell'inverso di una pressione. Per i solidi e i liquidi esso è molto piccolo; diminuisce lievemente al crescere della pressione applicata e cresce sensibilmente con la temperatura. I gas sono invece molto comprimibili. Si distingue un coefficiente di compressibilità isotermica e un coefficiente di compressibilità adiabatica, a seconda che durante la compressione si mantenga costante la temperatura oppure si provveda a evitare scambi di calore con l'esterno.

Il modulo di Young (1) La formulazione della legge dell’elasticità si deve a Hooke. Nel caso semplice di un corpo soggetto a trazione essa afferma che l’allungamento è proporzionale alla forza. F = K Δl Conviene formulare in modo opportuno la legge dell’elasticità introducendo le nozioni di SFORZO e di DEFORMAZIONE Se sottoponiamo a trazione un campione (per esempio una sbarra o un filo) di sezione A, esercitando una forza alle sue estremità, chiamiamo sforzo (detto anche tensione o stress) il rapporto s = Fort / A La lunghezza iniziale del campione sia lo; applicando lo sforzo σ la lunghezza diventa lo+Δl. Chiamiamo deformazione relativa (detta anche strain), e la indichiamo con ε , il rapporto: ε = Δl / lo Nei limiti del comportamento elastico la legge di Hooke riformulata afferma che la deformazione è direttamente proporzionale allo sforzo: σ = E ε dove E è detto modulo di Young o modulo di elasticità

Il modulo di Young (2) Hooke si accorse che se due fili, entrambi di lunghezza l 0, sono tirati l’uno con un peso (2 P) doppio dell’altro (P), anche l’allungamento è l’uno il doppio dell’altro. Sfuggì, però ad Hooke che l’allungamento significativo non è quello assoluto: l – l 0= Δl ma piuttosto quello relativo alla lunghezza iniziale (l 0), cioè la deformazione relativa ε Young riformulò la legge di Hooke, in modo che figurasse un coefficiente E dipendente dal materiale, anzichè un coefficiente K dipendente dal materiale e dalle dimensioni del corpo.

Velocità del suono in alcuni mezzi Mezzo c (m s -1 ) Aria a 0°C . . . . 332 Aria a 20°C . . . . 344 Acqua a 20°C. . . . 1430 Grasso animale. . . . 1460 Tessuti umani molli (in media). . . . 1550 Sangue . . . . 1560 Muscolo. . . . 1590 Osso . . . 2700 – 4100 Alluminio. . . . 5100 Ferro . . 5850 Carbonio – Grafite. . . . 18350

Considerazioni sulla velocità del suono n La velocità c, come dalla tabella precedente, dipende anche dalla temperatura del mezzo. Per l’aria: c = 331. 6 + 0. 6 t (temperatura t in °C, e velocità del suono in m/s). n Naturalmente λ = c/f. Ad esempio, un’onda sonora di 10 k. Hz in aria a 20 °C ha una lunghezza d’onda pari a circa 34. 4 mm. n Come accennato, e come sarà esposto più dettagliatamente nel seguito, un sistema ecografico determina la distanza (dalla sonda) di un’interfaccia tra tessuti differenti, sfruttando il tempo di ritorno di un’eco proveniente da tale interfaccia. n Il valore di c è fondamentale per il calcolo di questa distanza, ma dipende dai tessuti attraversati! n Si assume, nella maggior parte degli ecografi, che il valore di c sia 1540 m/s, introducendo così inevitabilmente un errore nella localizzazione delle strutture organiche situate in tessuti dalle caratteristiche medie diverse.

Pressione acustica, ampiezza e intensità n La pressione acustica (o sonora) p è la misura della deviazione della pressione nel mezzo trasmissivo dal suo valore di equilibrio (in aria, la pressione atmosferica), provocata da un’onda sonora. La pressione acustica si misura in pascal (Pa) ossia N ∙ m-2. Essa varia istante per istante e punto per punto. n L’ampiezza A dell’onda è il massimo valore della pressione acustica, ossia il valore (assoluto) alla massima compressione o alla massima rarefazione. n L’intensità I è il flusso medio di energia che, nell’unità di tempo, attraversa una superficie di area unitaria disposta perpendicolarmente alla direzione di propagazione. L’unità di misura è W ∙ m-2. L’intensità descrive il tasso con cui l’energia è depositata localmente nel mezzo trasmissivo. Il valore di I all’uscita di una sonda ecografica è generalmente dell’ordine di qualche m. W ∙ m-2. n É utile introdurre il valore efficace della pressione acustica, misurabile sperimentalmente. Denominato anche valore RMS (root mean square), esso è pari allo scarto quadratico medio della pressione (ossia alla radice quadrata della media del quadrato della pressione acustica) calcolato su un periodo T: Per onde piane

Pressione acustica e intensità: impedenza acustica caratteristica flusso medio di energia… n n La relazione tra pressione acustica e intensità non è immediata. Per il caso particolare delle onde piane (e quindi anche di un segnale abbastanza generico, sufficientemente lontano dalla sorgente e in un mezzo omogeneo) si verifica che: Z: Impedenza acustica caratteristica del mezzo D’ora in poi, per snellire la simbologia, rappresentiamo peff con p

Ampiezze e intensità relative; d. B n Nelle applicazioni diagnostiche è opportuno conoscere non tanto il valore assoluto dell’ampiezza o dell’intensità, quanto piuttosto il suo valore relativamente ad un altro. Per esempio, ad ogni interfaccia tra tessuti diversi è possibile definire un coefficiente di riflessione, dato dal rapporto tra l’intensità della parte riflessa del fascio di ultrasuoni, e l’intensità del fascio incidente. n É poi vantaggioso esprimere ampiezze o intensità relative in termini di logaritmo, dando il valore in unità di d. B, secondo le seguenti definizioni: Ad ampiezze o intensità relative maggiori di 1 corrispondono valori in d. B positivi, e viceversa. L’aumento di ampiezza o intensità porta all’incremento in d. B. Per esempio, raddoppiare l’ampiezza equivale ad aggiungere (circa) 6 d. B, mentre dimezzarla significa sottrarre 6 d. B. Se un fascio sonoro subisce una serie di attenuazioni, ciascuna espressa in d. B, l’attenuazione complessiva si trova semplicemente sommando tra loro le singole attenuazioni in d. B.

Attenuazione n n n L’attenuazione è la riduzione di intensità (e quindi di potenza) del fascio di ultrasuoni al passaggio attraverso un mezzo. L’attenuazione è causata da fenomeni quali rifrazione, diffrazione, interferenza (dovuti al fatto che l’interfaccia tra i tessuti non è piana né omogenea), alla divergenza del fascio e all’assorbimento da parte dei tessuti, che comporta la conversione dell’energia acustica in calore. Come fenomeno macroscopico, l’attenuazione è funzione della distanza x percorsa (la profondità raggiunta dal fascio US) ed è espressa (in un mezzo omogeneo) da una funzione esponenziale: dove il parametro k (coefficiente di attenuazione lineare, misurato in m-1) dipende, oltre che dal mezzo, dalla frequenza, secondo la formula: Frequenze più elevate subiscono dunque maggiore attenuazione rispetto alle frequenze inferiori. La relazione tra k e l’attenuazione in decibel al metro ( μ ) è complicata, e può essere approssimata da μ = 4. 3 k. Per compensare l’attenuazione, in funzione del tessuto indagato, l’operatore ha a disposizione un sistema manuale di controllo del guadagno dello strumento.

Attenuazione n n n L’attenuazione è la riduzione di intensità (e quindi di potenza) del fascio di ultrasuoni al passaggio attraverso un mezzo. L’attenuazione è causata da fenomeni quali rifrazione, diffrazione, interferenza (dovuti al fatto che l’interfaccia tra i tessuti non è piana né omogenea), alla divergenza del fascio e all’assorbimento da parte dei tessuti, che comporta la conversione dell’energia acustica in calore. Come fenomeno macroscopico, l’attenuazione è funzione della distanza x percorsa (la profondità raggiunta dal fascio US) ed è espressa (in un mezzo omogeneo) da una funzione esponenziale: dove il parametro k (coefficiente di attenuazione lineare, misurato in m-1) dipende, oltre che dal mezzo, dalla frequenza, secondo la formula: Frequenze più elevate subiscono dunque maggiore attenuazione rispetto alle frequenze inferiori. La relazione tra k e l’attenuazione in decibel al metro ( μ ) è complicata, e può essere approssimata da μ = 4. 3 k. Per compensare l’attenuazione, in funzione del tessuto indagato, l’operatore ha a disposizione un sistema manuale di controllo del guadagno dello strumento.

Impedenza acustica n n L’impedenza acustica descrive come un mezzo risponde (e si oppone) al passaggio delle onde sonore, che ne pongono le particelle in moto oscillatorio. Il termine impedenza è adoperato in analogia con il caso elettrico, in cui essa è il rapporto tra differenza di potenziale e corrente, ossia tra l’azione applicata ad un conduttore e la risposta che se ne ottiene. Come nel caso elettrico, l’impedenza acustica (detta propriamente impedenza acustica specifica) è nel caso generale un numero complesso che tiene conto della differenza di fase tra pressione acustica e velocità delle particelle dovuta alla vibrazione acustica. Essa è data dal rapporto tra le rappresentazioni complesse della pressione acustica p e della velocità u delle particelle del mezzo in un punto: Tuttavia nel caso delle onde longitudinali piane, o comunque a distanza sufficiente dalla sorgente, che si propaghino in un mezzo omogeneo, l’impedenza acustica è un numero reale (in analogia alla resistenza elettrica) e può essere scritta semplicemente così: grandezza spesso indicata con il termine di impedenza caratteristica. Nel SI, Z si misura in rayleigh (1 rayl = 1 Pa m-1 s = 1 kg m-2 s-1).

Impedenza caratteristica di alcuni tessuti

Principi fisici dell’ecografia (1) n n n Principio fisico simile a quello dei sonar. Un impulso US è emesso dal generatore piezoelettrico, contenuto nel trasduttore, e si propaga attraverso un mezzo trasmissivo (i tessuti del paziente); i tessuti del corpo umano hanno impedenze acustiche diverse e, in corrispondenza di ciascuna interfaccia tra tessuti di differente Z, il segnale viene in parte trasmesso e in parte riflesso. La frazione riflessa produce un segnale di ritorno (eco) rilevato dalla sonda ultrasonica situata nel trasduttore. Questa rivela gli ultrasuoni generando segnali elettrici, poi elaborati da un calcolatore per la costruzione di un’immagine video. Trasduttore: Funziona da emettitore di ultrasuoni per circa un milionesimo di secondo, 500 -3000 volte al secondo, funziona da ricevitore degli echi per un tempo mille volte maggiore.

Principi fisici dell’ecografia (2) n La distanza d dell’interfaccia riflettente dal trasduttore è legata (tramite la velocità media c del suono nei tessuti attraversati) al tempo di volo t dell’onda sonora dal momento dell’emissione fino al ritorno al trasduttore: d = ct/2 n Adoperando un fascio di ultrasuoni che copra un settore di corona circolare (sonda a scansione settoriale), o un rettangolo (scansione lineare), calcolando i valori di d per le interfacce tra i diversi tessuti, è possibile costruire una mappa bidimensionale della posizione delle interfacce all’interno del corpo del paziente, ottenendo un’immagine (una sezione) della disposizione dei tessuti e degli organi.

Qual è il ruolo dell’impedenza? n Se Z 1 e Z 2 sono le impedenze acustiche caratteristiche dei tessuti adiacenti t 1 e t 2 rispettivamente, il coefficiente di riflessione dell’interfaccia, ossia il rapporto tra la potenza dell’eco e quella del segnale incidente, è dato da: mentre il coefficiente di trasmissione (frazione di potenza trasmessa) è: Z è legata a r, quindi posso “misurare” r dei tessuti, rappresentandola con un grigio diverso

Impedenza: un esempio (fare!) n Considerando per esempio il passaggio da aria ad acqua a 20° C e viceversa, dalla Tabella delle impedenze si ricava Zaria = ? ? ? ZH 2 O = ? ? ? , per cui il coefficiente di riflessione all’interfaccia è pari a R = ? ? ? ? mentre T = ? ? ? ? : n Situazione analoga si verifica nel passaggio dell’onda sonora da tessuto corporeo molle ad aria (e viceversa), in quanto l’impedenza dei tessuti molli è vicina (e spesso lievemente maggiore) a quella dell’acqua. Il coefficiente di trasmissione si calcola ponendo ad esempio Zmuscolo = ? ? ? ? Zaria = ? ? ? ? e quindi R = ? ? ?

Impedenza: un esempio (soluzione) n Considerando per esempio il passaggio da aria ad acqua a 20° C e viceversa, dalla Tabella delle impedenze si ricava Zaria = 444 rayl ZH 2 O = 1. 43 ∙ 106 rayl, per cui il coefficiente di riflessione all’interfaccia è pari a R = 0. 9988 mentre T = 1. 2 ∙ 10 -3: solo l’uno per mille della potenza sonora attraversa l’interfaccia, che costituisce quindi una barriera quasi insormontabile. n Situazione analoga si verifica nel passaggio dell’onda sonora da tessuto corporeo molle ad aria (e viceversa), in quanto l’impedenza dei tessuti molli è vicina (e spesso lievemente maggiore) a quella dell’acqua. Il coefficiente di trasmissione si calcola ponendo ad esempio Zmuscolo = 1. 70 ∙ 106 rayl Zaria = 444 rayl e quindi R = 0. 9990, che lascia una potenza troppo bassa a disposizione dell’onda trasmessa.

Conseguenze… n Le conseguenze sono due: ¨ le cavità del corpo umano sono nascoste all’indagine ecografica (polmone) ¨ è necessario interporre tra la sonda e il corpo del paziente un gel che eviti la presenza di interfacce con aria. Quest’operazione realizza un adattamento di impedenza tra la sonda e i tessuti. Si può dimostrare che l’impedenza della sostanza che realizza l’adattamento d’impedenza è data dalla media geometrica delle impedenze dei tessuti da adattare.

Impedenza: un altro esempio… n Ben diversa è la condizione che si determina tra due tessuti molli, o tra un tessuto molle e l’acqua (valori di Z vicini): in questo caso il coefficiente R è piccolo, mentre T è prossimo a 1, per cui la maggior parte della potenza viene trasmessa e può giungere ad interfacce più profonde, venendo di nuovo parzialmente riflessa, e così via. n Sempre dalla Tabella delle impedenze si deduce, per esempio, che la statosi epatica, ossia la presenza di grasso negli epatociti (cellule del fegato), dà luogo a interfacce con Z fegato = 1. 64 ∙ 106 rayl Z grasso = 1. 34 ∙ 106 rayl, e quindi R = 0. 01, frazione significativa e misurabile della potenza incidente, che lascia, però, il 99 % dell’onda sonora libera di continuare il percorso in profondità. n Anche le interfacce tra tessuto osseo e tessuto molle sono barriere che sottraggono per riflessione, al fascio di ultrasuoni, frazioni consistenti dell’energia, causando al di là dell’osso zone d’ombra difficili da investigare.

Forma del fascio n Come un pistone vibrante, il trasduttore genera onde di pressione (compressione e rarefazione) che si propagano nel mezzo. Similmente all’emissione di onde elettromagnetiche da un’antenna, si possono distinguere la zona di Fresnel (campo vicino) e la zona di Fraunhofer (campo lontano). Se r è il raggio dell’elemento vibrante, d la distanza dal trasduttore, λ la lunghezza d’onda, il limite tra le due zone è: d = do = r 2/l n n La zona di Fresnel è tale che d < do, mentre la zona di Fraunhofer si trova a distanza d maggiore di do Ad esempio, considerando un segnale ultrasonico di frequenza f = 1 MHz in un tessuto molle (c = ? ? m/s) Si ha λ = ? ? mm. Se il raggio del trasduttore è pari a 2 cm, si calcola che do = ? ? cm. Campo vicino: cilindro lungo do e largo quanto il trasduttore Campo lontano: area centrale ad alta densità che decresce in dimensione con la distanza, e area anulare di bassa intensità che cresce con la distanza. Il fascio centrale diverge con un angolo di divergenza q = arcsin 0. 61 l/r: Per il trasduttore a 1 MHz dell’esempio precedente il valore della divergenza è q = 3°.

Forma del fascio n Come un pistone vibrante, il trasduttore genera onde di pressione (compressione e rarefazione) che si propagano nel mezzo. Similmente all’emissione di onde elettromagnetiche da un’antenna, si possono distinguere la zona di Fresnel (campo vicino) e la zona di Fraunhofer (campo lontano). Se r è il raggio dell’elemento vibrante, d la distanza dal trasduttore, λ la lunghezza d’onda, il limite tra le due zone è: d = do = r 2/l n n La zona di Fresnel è tale che d < do, mentre la zona di Fraunhofer si trova a distanza d maggiore di do Ad esempio, considerando un segnale ultrasonico di frequenza f = 1 MHz in un tessuto molle (c = 1540 m/s) Si ha λ = 1. 540 mm. Se il raggio del trasduttore è pari a 2 cm, si calcola che do = 26 cm. Campo vicino: cilindro lungo do e largo quanto il trasduttore Campo lontano: il fascio diverge con un angolo di divergenza q = arcsin 0. 61 l/r: Per il trasduttore a 1 MHz dell’esempio precedente il valore della divergenza è q = 3°.

Risoluzione n n n La risoluzione spaziale dell’ecografo è la capacità di differenziare strutture tra loro molto vicine, o di indagare strutture molto piccole. Si distingue una risoluzione assiale o longitudinale o in range (lungo la direzione del fascio) e una risoluzione laterale o in angolo (perpendicolare alla direzione di propagazione). La risoluzione di contrasto o in scala di grigi è invece la capacità di risolvere, tramite gradazioni di grigio diverse, due oggetti adiacenti di riflettività simile (tessuti simili) (“sensibilità”).

Risoluzione assiale (AR) n La frequenza impiegata influisce sulla AR perché, in linea di principio, onde di lunghezza λ permettono di stimare dettagli del medesimo ordine di grandezza. n Si verifica che volendo apprezzare, e. g. , strutture dell’ordine di 2 mm, la l necessaria è pari a circa la metà di questo valore, ossia 1 mm. n Assumendo per c in un mezzo il valore, tipico di un tessuto molle, di circa 1500 m/s, la f corrispondente è f = c / λ = 1. 5 MHz. Particolari di dimensioni inferiori a 2 mm, indagati con frequenze di quest’ordine di grandezza, non saranno rilevabili. n Migliorare la AR richiede dunque di aumentare f, ma questo non è un processo illimitato: alle alte f l’attenuazione limita la penetrazione. Altro elemento importante che limita la AR è che c presenta variazioni da tessuto, mentre avere una velocità costante è necessario per la ricostruzione dell’immagine. n In pratica, anche a causa della presenza di fonti di rumore, l’ordine di grandezza della risoluzione migliore ottenibile è pari a circa 1 mm. n Considerazioni quali quelle ora esposte portano usualmente a scegliere: per l’indagine degli organi addominali, frequenze tra 2. 5 MHz e 3. 5 MHz (frequenze inferiori per organi più profondi) ¨ per organi intermedi (vasi, mammella, tiroide…) frequenze tra 5. 0 MHz e 7. 5 MHz ¨ per tessuti superficiali (vasi e masse superficiali, mammella, tiroide…) frequenze maggiori di 7. 5 MHz, le meno penetranti ma di massima capacità risolutiva. ¨

Risoluzione laterale n n La risoluzione laterale è la minima separazione di due organi rilevabile dall’ecografo in senso trasversale al fascio. E’ paragonabile al diametro del fascio, sicuramente peggiore della risoluzione assiale. Per diminuire la sezione del fascio occorrerebbe aumentarne la frequenza (vedere la slide “Forma del fascio”), con i già noti problemi di assorbimento. Si migliora allora la risoluzione laterale con un sistema di messa a fuoco del fascio, volto a diminuirne la sezione.

Time-gain control n n n Il fascio che esplora i tessuti del paziente viene via attenuato in maniera esponenziale all’aumentare della profondità alla quale si propaga. Per questa ragione, per consentire l’individuazione di echi provenienti da interfacce profonde è necessario compensare l’attenuazione aumentando proporzionalmente l’amplificazione del segnale. Questo significa che l’eco è amplificata dal ricevitore in maniera esponenziale rispetto alla profondità raggiunta, e quindi rispetto al tempo passato dall’emissione dell’impulso. Questo artificio si chiama Time Gain Control (TGC)

Modalità di esecuzione Esistono quattro modalità di esecuzione di un esame ecografico: n A – Mode (Amplitude Mode): ancora usata in oculistica (biometria dell’occhio) ed encefalografia (misura del diametro biparietale), è superata dal B –Mode. Ogni eco è rappresentata sullo schermo di un oscilloscopio come un picco la cui ampiezza è proporzionale all’intensità dell’eco; dal tempo necessario all’onda riflessa per tornare al sistema ricevente, si misura la distanza tra l’interfaccia che ha provocato la riflessione e la sonda. È monodimensionale (permette l’analisi in una sola dimensione). n B – Mode (Brightness Mode o modulazione di luminosità): come l’A-mode, però converte i picchi di ciascuna eco in un tono di grigio (quindi di luminosità). n TM – Mode (Time Motion Mode): consente di misurare i movimenti delle strutture ecogene, arricchendo dunque l’A – Mode e il B-mode con il dato dinamico. La metodica è tuttora usata in cardiologia, per lo studio del movimento delle valvole cardiache. L’ecografo fornisce un’immagine bidimensionale in cui ogni eco è rappresentata da un punto luminoso, che si sposta in base al movimento della struttura che lo ha generato. n B – Mode Real Time: è il metodo più usato attualmente; come il B-mode, però fornisce un’immagine Ecotomografica (ossia di una sezione del corpo) degli echi provenienti dalle strutture in esame. L’immagine è costruita convertendo gli echi in segnali la cui luminosità (tonalità di grigio) è legata alle impedenze dei tessuti ricavate dall’intensità degli echi; i rapporti spaziali fra i vari echi “costruiscono” sullo schermo l’immagine della sezione dell’organo in esame. La rappresentazione delle informazioni tramite un’immagine bidimensionale in scala di grigi, in cui le diverse tonalità di grigio rappresentano tessuti di diversa impedenza caratteristica, ha migliorato la qualità e la quantità di informazioni ottenibili dall’immagine ecografica. Le strutture corporee sono rappresentate con toni che vanno dal nero al bianco. I punti bianchi indicano la presenza di una struttura iperecogena, come un calcolo, mentre i punti neri sono resi da strutture ipoecogene quali i liquidi. L’ecografia in B – Mode RT è dinamica (realtime) con almeno 16 immagini al secondo.

A-MODE

B-MODE RT TM-MODE

Artefatti Gli artefatti sono regioni dell’immagine che non sono rappresentazioni fedeli del tessuto riprodotto. Diversi artefatti possono affliggere le immagini ecografiche, tra cui: • Speckle; • Reverberation Echoes; • Acoustic Shadowing e Acoustic Enhancement; • Refraction e Multiple pathway. Nell’imaging ultrasonico alcuni artefatti (in particolare Shadowing e Enhancement) sono utilizzati per dedurre informazioni e caratterizzare i tessuti.

Artefatti: Speckle n La presenza di interfacce riflettenti inclinate casualmente rispetto al fascio provoca complessi schemi di interferenza denominati speckle, che appaiono come una granulosità diffusa su tutta l’immagine. Siccome gli schemi interferenziali cambiano da frame, ne consegue un rumore di difficilissima eliminazione.

Artefatti: Reverberation echoes (riverberazioni) n Causati dal rimbalzare dell’onda sonora avanti e indietro tra aggregati di particelle (interfacce parallele) di grande potere riflettente, o tra un’interfaccia e la sonda. Gli echi sono equispaziati (nel tempo e quindi nella ricostruzione spaziale), dando origine ad una sorta di scala. Buon riflettore L’intensità dell’eco diminuisce con il tempo

Artefatti: Reverberation echoes (riverberazioni) Solo la prima eco ha significato fisico (ogni altra eco è artefatto, in cui il tempo di volo maggiore è interpretato come presenza di struttura profonda)

Artefatti: Comet tail (coda di cometa) Serie di riflessioni all’interno di un oggetto piccolo ma dalla forte riflettività, che danno origine ad echi multiple e vicine da un oggetto. L’artefatto è parallelo all’asse del fascio, e appare come un unica lunga eco.

Artefatti: Ringdown o Resonance Simile alla coda di cometa, è originato dalle vibrazioni risonanti di bolle di gas dovute al bombardamento ultrasonico.

Artefatti: Shadowing/Enhancement (assorbimento/rinforzo acustico posteriore) n Nel primo caso (detto anche cono d’ombra posteriore) un tessuto molto riflettente/attenuante (grandi calcificazioni, osso, masse significativamente dense) fa apparire meno ecogenica una regione situata dopo di esso (vedere la figura in basso, a sinistra). n Nel secondo caso (detto anche rinforzo di parete posteriore) un oggetto di bassa attenuazione (cisti o masse) esalta i tessuti che si trovano più in profondità (figura in basso, a destra).

Artefatti: Refraction e Multiple pathway (o Multipath) n Entrambe alterazioni del normale cammino del fascio di ultrasuoni: nel primo caso la rifrazione su un’interfaccia provoca uno spostamento del fascio acustico, nel secondo caso le riflessioni multiple danno false (o multiple) localizzazioni di interfacce, perché il fascio impiega più tempo a tornare alla sonda Multipath Refraction Real object Artifact

Tre in uno… n Freccia ¨ Ring down n E ¨ Enhancement n S ¨ Shadowing

Pericolosità n n n Per quanto noto attualmente, l’ecografia non è un esame pericoloso per il paziente, purché sia applicata in maniera prudente, ossia non superando opportuni limiti di potenza. Effetti dannosi – se utilizzata al di fuori dei valori di potenza consigliati – sono effetti termici e creazione di cavità. L’ecografia può essere adoperata senza rischio per l’esame del feto in gravidanza, fermo restando che il livello di intensità degli ultrasuoni deve essere basso per non danneggiarne il sistema uditivo, particolarmente delicato.

Ecografia 3 D (e 4 D) n n La metodica si basa sulla ricostruzione ed elaborazione computerizzata delle normali immagini ecografiche bidimensionali. Si possono ottenere delle immagini in tridimensionale (3 D), cioè immagini ferme che vengono analizzate successivamente da vari punti di vista ed in tre dimensioni, oppure immagini in 4 D, dove la quarta dimensione è rappresentata dal tempo, cioè si hanno immagini tridimensionali in movimento e in tempo reale. Applicazione più diffusa: diagnosi fetali. La maggior parte delle diagnosi di malformazioni fetali si effettua ancora con le tradizionali immagini bidimensionali, vi sono però alcune patologie per le quali la valutazione tridimensionale può offrire dei vantaggi: studio dei tessuti molli, della spina bifida, di alcune patologie del sistema nervoso centrale e dell'apparato muscolo-scheletrico. http: //www. diagnosiprenatale. it/eco 3 d. htm

Ecodoppler (1) http: //www. avenuemedia. eu/source/congressi_2010/Corso_Congiunto_2010/relazioni/Valeria_Bovina. pdf

Ecodoppler (2)

Ecodoppler (3)

Ecodoppler (4)

Ecodoppler (5)

Ecodoppler (6) stazionarie

Biblio-Sitografia n Ecografia: A. Castellano, G. De Nunzio, M. Donativi Fisica e tecnica delle apparecchiature biomediche. Deltaedit, Arnesano (LE) 2009 http: //www. centropiaggio. unipi. it/~santarelli/diapositive/Immagini%20 Biomediche%2014_12_2010/Diapositive%20 in%20 pdf/Ultrasound. pdf n Ecografia 3 D: http: //www. diagnosiprenatale. it/eco 3 d. htm n Ecodoppler: http: //www. avenuemedia. eu/source/congressi_2010/Corso_Congiunto_2010/relazioni/Valeria_Bovina. pdf n Modulo di Young: http: //www. ba. infn. it/~smarrone/ingegneria/lezioni/meccanica/modulo%20 young. pdf