2.5.1 - IL SUONO
Il suono è un fenomeno fisico che deriva dall’ interazione fra Energia e Materia, è energia meccanica trasmessa, sotto forma di onde di pressione, in un mezzo. In assenza di un mezzo (nel vuoto) le onde sonore non possono propagarsi e il suono non può esistere.
La sorgente sonora agisce come un pistone sul mezzo a contatto con essa, creando onde sonore caratterizzate da aree di compressione (ad alta densità) e da aree di rarefazione (a bassa densità).
18Gli ultrasuoni sono onde sonore caratterizzate da frequenze più elevate rispetto a quelle
percepibili dall’ orecchio umano. L’ultrasonografia diagnostica sfrutta frequenze superiori ai 2 MHz.
2.5.2 - LA SORGENTE SONORA
La produzione di un’onda sonora richiede una sorgente vibrante od oscillante. I moderni ecografi, utilizzati nella pratica clinica, sfruttano come sorgente ultrasonora un gruppo ordinato di cristalli piezoelettrici, più precisamente un amalgama di zirconato titanato di piombo.
L’ effetto piezoelettrico inverso consente a questo tipo di cristallo di entrare in vibrazione quando sottoposto a una differenza di potenziale, generando così l’onda ultrasonora. Al contrario, l’effetto piezoelettrico diretto, ovvero la conversione di energia meccanica in una differenza di potenziale, consente alla stessa sorgente di fungere anche da sensore. L’ eco di ritorno infatti (energia meccanica), viene convertito in una differenza di potenziale che dà origine ad un segnale elettrico sfruttato per ricreare le immagini ecografiche.
2.5.3 - CARATTERISTICHE DELL’ ONDA ACUSTICA
Ogni onda sonora è definita da una serie di variabili fisiche e caratterizzata da parametri acustici che descrivono come essa interagisce col mezzo in cui si propaga18.
35 2.5.3.1 - PERIODO (T) E FREQUENZA (F)
Il periodo è descritto come il tempo necessario all’ onda per compiere un ciclo compressione-rarefazione completo.
La frequenza è la funzione inversa del periodo, quindi il numero di cicli che avvengono nell’ unità di tempo (s).
2.5.3.2 - LUNGHEZZA D’ ONDA (Λ)
La distanza tra due picchi è definita Lunghezza d’ Onda (λ). Rappresenta un ciclo descritto nello spazio.
2.5.3.3 - VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE
La velocità di un’onda sonora in un mezzo è descritta dalla relazione: V = f x λ. Essa rappresenta la distanza percorsa dall’ onda nell’ unità di tempo (ricorda che f = 1\T). La velocità di propagazione dipende esclusivamente dalle caratteristiche del mezzo, in particolare dalla Densità e dalla Stiffness (rigidità) del mezzo stesso. Più precisamente la velocità è direttamente proporzionale alla Stiffness e inversamente proporzionale alla Densità.
2.5.3.4 - AMPIEZZA
L’ ampiezza rappresenta la forza dell’onda misurata dalla linea zero al picco.
2.5.3.5 - POTENZA
La Potenza dell’onda è definita come l’energia (joules) generata per unità di tempo (s). È espressa in Watt.
2.5.3.6 - INTENSITA’
L’ intensità è definita come il rapporto fra la potenza dell’onda e l’area sulla quale incide. È descritta dalla relazione: INTENSITA’ (dB) = POTENZA (Watts) / AREA (m2). È un parametro importante in quanto direttamente correlato agli effetti biologici sui tessuti. A questo proposito è opportuno sottolineare come l’ecografia, con i mezzi di cui disponiamo oggi, sia uno strumento diagnostico assolutamente sicuro. Non sono mai stati registrati eventi avversi né per i pazienti, né per gli operatori.
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2.5.4 - L’ ATTENUAZIONE
L’ attenuazione può essere descritta come l’indebolimento dell’onda ultrasonora durante il suo viaggio all’ interno del mezzo.
Onde ad alta frequenza subiscono una maggiore attenuazione rispetto a quelle a bassa frequenza.
Differenti tipologie di tessuto hanno effetti diversi sull’ attenuazione dell’onda sonora. Matematicamente questo concetto è espresso dal Coefficiente di Attenuazione, tale parametro varia se prendiamo in considerazione l’acqua, i tessuti molli, il grasso etc... Esistono tre cause principali di attenuazione18:
1. Riflessione
Quando un’onda sonora interagisce con l’interfaccia di due mezzi distinti, caratterizzati quindi da una diversa impedenza acustica, parte di essa viene riflessa (onda riflessa), parte continua ad essere trasmessa nel mezzo (onda trasmessa), ovviamente con ampiezza, potenza e intensità diminuite.
L’ onda riflessa è quella sfruttata in diagnostica. Essa infatti ritorna verso la sonda che, per effetto piezoelettrico diretto, trasformerà quel segnale meccanico in una differenza di potenziale, quindi in un segnale elettrico sfruttato per creare le immagini.
2. Scatter
Il fenomeno dello Scatter consiste nella dispersione del suono in numerose direzioni. Ciò avviene, quando l’interfaccia fra i tessuti in cui l’onda sonora incide è minore della lunghezza d’ onda di quest’ ultima.
In generale la dispersione è proporzionale alla frequenza.
Strutture all’ interno di uno stesso tessuto possono disperdere in maniera diversa l’ultrasuono, giustificando la differente ecogenicità osservata (ad esempio un emangioma nel contesto epatico). Aree caratterizzate da maggior scattering appariranno iperecogene rispetto ad aree caratterizzate da un minor livello di dispersione.
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3. Assorbimento
L’ assorbimento consiste nella conversione dell’energia acustica in calore. Questa è la componente maggiore di attenuazione.
L’ aumento di calore prodotto nel corso di uno studio diagnostico standard è comunque irrilevante e non determina cambiamenti misurabili della temperatura dei tessuti coinvolti. L’ assorbimento è proporzionale alla frequenza e alla profondità di scansione.
2.5.5 - L’ ONDA PULSATA
Abbiamo, fino ad ora, descritto il suono come un'unica onda continua (sinusoidale) nel tempo. Un’ onda con queste caratteristiche però, non può essere sfruttata per ricreare immagini anatomiche. L’ ecografia diagnostica infatti, sfrutta brevi impulsi ultrasonori. Un impulso è costituito da un treno di onde sonore. La sorgente emette un impulso caratterizzato da una durata definita, quest’ ultima può essere descritta come il tempo che intercorre fra l’inizio e la fine dell’impulso stesso, ed è anche detta tempo di trasmissione. Tra gli impulsi, la sonda, che nel tempo di trasmissione si comportava da sorgente, funge da ricevitore, permettendo, attraverso effetto piezoelettrico diretto, la conversione degli echi di ritorno in segnali elettrici sfruttati per ricreare le immagini anatomiche.
Il tempo fra due impulsi successivi viene quindi detto tempo di ricezione.
Minore è la durata dell’impulso, quindi il tempo di trasmissione, maggiore sarà la possibilità di discriminare tra loro due oggetti (risoluzione).
2.5.6 - STRUMENTAZIONE
Al fine di comprendere la fisica degli ultrasuoni occorre descrivere sinteticamente la strumentazione di base di un moderno ecografo. Abbiamo infatti accennato al funzionamento della sonda e del trasduttore (il cristallo piezoelettrico), ma numerose altre componenti debbono essere descritte.
2.5.6.1 - TRASDUTTORE (O SONDA)
Il trasduttore è quella componente in grado di convertire un segnale elettrico in un segnale meccanico (onda acustica) e viceversa, agendo in pratica da rice-trasmittente.
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Il cristallo piezoelettrico rappresenta l’unità funzionalmente attiva della sonda. Le sonde di un comune ecografo sono dotate di numerosi piccoli cristalli organizzati in modo ottimale. I segnali elettrici ottenuti nella fase di ricezione sono dati grezzi, hanno bisogno di essere amplificati, filtrati, compensati, devono subire tutta una serie di complessi processi di raffinazione affinché possano essere utilizzati per ottenere le immagini e i dati ricercati. Questo processo inizia a livello della sonda e si completa nell’ elaboratore.
La sonda infatti è costituita da altre 6 componenti, che per quanto tecnicamente importanti, non meritano, in questa sede, ulteriori approfondimenti: il rivestimento protettivo (case), lo schermo elettrico, l’isolatore, il filo, lo strato di accoppiamento e il materiale smorzante.
Le sonde disponibili in commercio hanno una forma geometrica e caratteristiche tecniche differenti in base ai campi di applicazione: Convex, Micro-convex, Settoriale, Lineare,
Biplanare, Ecc..
Queste sono soltanto alcune delle sonde più frequentemente utilizzate nella pratica clinica. Sono caratterizzate da frequenza di trasmissione differente, geometria del fascio ultrasonoro differente e di conseguenza trovano applicazione in diverse tipologie di studio ecografico.
Approfondiremo nei capitoli successivi questo tema parlando dettagliatamente dell’ecografia diaframmatica e polmonare.
2.5.6.2 - ELABORATORE (COMPUTER)
L’ elaboratore ha il compito di processare ed organizzare i segnali elettrici formatesi nella fase di ricezione permettendo quindi la creazione delle immagini.
2.5.6.3 - DISPLAY
Il display è la componente che consente la visualizzazione delle immagini e dei dati ottenuti una volta che i segnali sono stati ricevuti, organizzati ed elaborati mediante le componenti sopra descritte.
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2.5.7 - LA RISOLUZIONE
La risoluzione può essere definita come la misura della capacità dell’ecografo di fornire immagini accurate.
Nel concetto di risoluzione sono insite molteplici caratteristiche, queste rendono conto della necessità di descrivere tre “tipologie” di risoluzione: Spaziale, Temporale e di Contrasto.
2.5.7.1 - RISOLUZIONE SPAZIALE
La risoluzione spaziale è definita come la misura della capacità dell’onda sonora di discriminare fra loro due oggetti spazialmente vicini. 18Questa può essere classificata a sua
volta in:
• Risoluzione Spaziale Assiale
La risoluzione spaziale assiale rappresenta la capacità di distinguere strutture diverse lungo l’asse principale del raggio. Impulsi brevi forniscono immagini migliori. Essi infatti saranno caratterizzati da piccola lunghezza d’ onda e una frequenza elevata.
• Risoluzione Spaziale Laterale
La risoluzione spaziale laterale rappresenta la capacità di distinguere strutture diverse poste lungo l’asse perpendicolare rispetto a quello del raggio.
2.5.7.2 - RISOLUZIONE TEMPORALE
La risoluzione temporale rappresenta il tempo necessario per la creazione dell’immagine. Equivale al numero di fotogrammi che possono essere creati nell’ unità di tempo (s) [Frame Rate].
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È intuitivo il fatto che, per ottenere un’immagine molto dettagliata, occorra più tempo, per questo è necessario un compromesso valido tra Frame Rate e dettaglio.
È ovvio infine, che un’immagine superficiale richieda meno tempo per essere creata, i fasci infatti devono percorrere una distanza più breve. Ciò garantisce un Frame Rate maggiore e, in generale, una migliore risoluzione temporale.
Una buona risoluzione temporale è importante nello studio di oggetti in movimento come ad esempio il cuore.
2.5.7.3 - RISOLUZIONE DI CONTRASTO
La risoluzione di contrasto si definisce come la capacità di discriminare due oggetti sulla base di una scala di grigi.
2.5.8 - MODALITA’ DI VISUALIZZAZIONE: A-MODE, B-MODE ED M- MODE
Una volta raccolte ed elaborate le informazioni i dati possono essere visualizzati. Esistono tre principali modalità di visualizzazione: A-MODE, B-MODE, M-MODE. Queste modalità sono la rappresentazione grafica delle informazioni raccolte18.
2.5.8.1 - A-MODE
L’ A-MODE viene utilizzata per misurare con precisione la distanza di un oggetto dalla sonda, attraverso l’analisi dell’ampiezza dell’onda rispetto al tempo che impiega l’eco di ritorno a raggiungere nuovamente la sonda. Il display non fornirà un’immagine ma un numero.
L’utilizzo di tale strumento è limitato, perché è possibile ottenere dati da un singolo raggio ultrasonoro per volta.
41 2.5.8.2 - B-MODE
In B-MODE le diverse ampiezze degli echi di ritorno vengono convertite graficamente in punti di variabile intensità luminosa. L’ insieme di questi punti, organizzati rispetto alla profondità stimata in base al tempo di ritorno, formano l’immagine anatomica.
Le onde riflesse più deboli corrisponderanno ai punti di minore luminosità, quelle più forti ai punti di maggiore luminosità. La minima luminosità corrisponde al nero, la massima al bianco.
2.5.8.3 - M-MODE
Grazie all’ M-MODE è possibile rappresentare graficamente il movimento del tessuto in studio.
Studiando organi statici otterremo una linea retta, il movimento di organi non statici come il cuore, sarà invece rappresentato da una linea ad andamento sinusoidale.
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2.5.9 - GLI ARTEFATTI
La comprensione della fisica e della strumentazione ultrasonografica permette anche la comprensione delle modalità di formazione degli artefatti. Quest’ ultimi, sono definibili come errori della rappresentazione ecografica.
Una differenza cruciale dell’ecografia rispetto alla radiografia consiste nella possibilità di sfruttare gli artefatti a scopo diagnostico. In ultrasonografia infatti, attraverso di essi, è possibile reperire informazioni importanti della struttura in studio.
Un buon sistema ecografico viene progettato sulla base di sei principi fondamentali:
1. Il suono viaggia in linea retta;
2. Il suono viaggia direttamente verso una struttura così come l’eco di ritorno verso la sonda;
3. Il suono viaggia nei tessuti molli ad una velocità pari a 1540 m/s;
4. Gli echi riflessi derivano solo dalle strutture poste lungo l’asse principale del raggio; 5. Il piano dell’immagine è molto sottile;
6. La forza dell’eco riflesso è conseguenza delle caratteristiche del tessuto.
Gli artefatti si verificano quando non tutte queste condizioni si realizzano.
2.5.9.1 - RIVERBERO
I riverberi appaiono sul display come molteplici echi equidistanti. Sono causati dal rimbalzo dell’onda ultrasonora fra due strutture molto riflettenti. Il primo ed il secondo riflesso vicino alla sonda corrispondono a strutture reali, i rimanenti no.
Le “Comet Tails” sono artefatti dovuti al riverbero visualizzati spesso all’ ecografia toracica.
2.5.9.2 - CONI D’ OMBRA
Il cono d’ ombra è un artefatto che si origina quando il fascio ultrasonoro incontra una struttura fortemente attenuante rispetto al tessuto circostante. Graficamente è rappresentato da una regione ipoecogena posteriore rispetto all’ elemento attenuante.
43 2.5.9.3 - EDGE ARTIFACT
L’ “Edge Artifact” (letteralmente e impropriamente traducibile in “artefatto del bordo”) corrisponde graficamente ad un’ombra, una regione ipoecogena, che si estende lungo il bordo di una struttura riflettente curva.
Fisicamente, è la conseguenza della rifrazione, sul bordo curvo della struttura, del fascio ultrasonoro: rifrangendo il fascio perde di intensità e l’immagine ottenuta è una zona d’ ombra appunto.
2.5.9.4 - IMMAGINI SPECCHIO
L’ artefatto a specchio si produce a causa di riflessioni multiple che avvengono tra la superficie che agisce da specchio (fortemente riflettente) e una struttura posta a ridosso di essa, con conseguente allungamento del tragitto del fascio ultrasonoro e del tempo impiegato dagli ultrasuoni a ritornare alla sonda: il computer interpreta gli echi di ritorno dalla struttura reale una seconda volta, come posti più profondamente, e riproduce un’ immagine anche aldilà della superficie specchio, in sede speculare a quella reale.
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2.5.10 - DOPPLER
L'effetto Doppler è un fenomeno fisico che consiste nel cambiamento apparente, rispetto al valore originario, della frequenza o della lunghezza d'onda percepita da un osservatore raggiunto da un'onda emessa da una sorgente che si trovi in movimento rispetto all'osservatore stesso.
In ultrasonografia, questo fenomeno fisico, è utilizzato prevalentemente per esaminare il flusso sanguigno, in particolare direzione, velocità e pattern del flusso attraverso l’organo preso in esame.
Nella diagnostica ecografica infatti, l’effetto doppler si realizza quando il fascio ultrasonoro trasmesso, incontra i globuli rossi in movimento. Quando questi si muovono in direzione della sonda, la frequenza percepita dall’ osservatore (sonda) è maggiore rispetto alla trasmessa, al contrario, quando questi si allontanano, è minore.
La variazione di frequenza è tanto maggiore quanto maggiore è la velocità di scorrimento dei globuli rossi.
Come si evince dall’ immagine soprastante, l’angolo d’ incidenza del fascio ultrasonoro rispetto alla direzione del flusso è fondamentale per la corretta esecuzione dell’esame diagnostico. Se ci ponessimo perpendicolari rispetto alla direzione del flusso infatti, non registreremmo nessuna variazione di frequenza, in quanto il cos di 90° è 0.
Tipicamente la diagnostica ecografica si avvale di due strumenti che sfruttano l’effetto Doppler: il Doppler ad Onda Continua ed il Doppler ad Onda Pulsata18.
45 2.5.10.1 - DOPPLER AD ONDA CONTINUA
Il doppler ad onda continua sfrutta un cristallo piezoelettrico che trasmette continuamente impulsi e un cristallo che riceve in modo continuativo.
Questo strumento permette di registrare molto accuratamente velocità, senza però localizzare esattamente i globuli rossi in movimento.
2.5.10.2 - DOPPLER AD ONDA PULSATA
Il doppler ad onda pulsata sfrutta un solo cristallo, che si comporta da rice-trasmittente. In questo modo è possibile valutare la distanza fra la superficie riflettente e la sonda, perdendo però precisione nella misurazione di velocità quando queste sono elevate.
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