L’ECOGRAFIA
Principi fisici e applicazioni
Giorgio De Nunzio
Introduzione
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 kHz. 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/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.
Frequenza di vibrazione f :
Infrasuoni (f < 20 Hz)
Suoni udibili (20 Hz < f < 20 KHz)
Ultrasuoni (f > 20 KHz) US
Frequenza, lunghezza d’onda, velocità
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):
In tutti i casi:
Dipendenza inversa dalla radice quadrata della densità del mezzo
f = c /
(longitudinale)
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:
= –ΔV / (V Δp)
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.
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
= F
ort/ A
La lunghezza iniziale del campione sia l
o; applicando lo sforzo σ la lunghezza diventa l
o+Δl.
Chiamiamo deformazione relativa (detta anche strain), e la indichiamo con ε , il rapporto:
ε = Δl / l
oNei 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 (1)
Hooke si accorse che se due fili, entrambi di lunghezza l
0, sono tirati l’uno con un peso (2P) 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.
Il modulo di Young (2)
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
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).
Naturalmente λ = c/f. Ad esempio, un’onda sonora di 10 kHz in aria a 20 °C ha una lunghezza d’onda pari a circa 34.4 mm.
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.
Il valore di c è fondamentale per il calcolo di questa distanza, ma dipende dai tessuti attraversati!
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
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.
L’ampiezza A dell’onda è il massimo valore della pressione acustica, ossia il valore (assoluto) alla massima compressione o alla massima rarefazione.
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 mW ∙ m
-2.
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
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:
D’ora in poi, per snellire la simbologia, rappresentiamo p
effcon p
Z: Impedenza acustica caratteristica del mezzo flusso medio
di energia…
Ampiezze e intensità relative; dB
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.
É poi vantaggioso esprimere ampiezze o intensità relative in termini di logaritmo, dando il valore in unità di dB, secondo le seguenti definizioni:
Ad ampiezze o intensità relative maggiori di 1 corrispondono valori in dB positivi, e viceversa.
L’aumento di ampiezza o intensità porta all’incremento in dB. Per esempio, raddoppiare l’ampiezza equivale ad aggiungere (circa) 6 dB, mentre dimezzarla significa sottrarre 6 dB.
Se un fascio sonoro subisce una serie di attenuazioni, ciascuna espressa in dB, l’attenuazione
complessiva si trova semplicemente sommando tra loro le singole attenuazioni in dB.
Attenuazione
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
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
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 = 1Pa m
-1s = 1 kg m
-2s
-1).
Impedenza caratteristica di alcuni tessuti
Principi fisici dell’ecografia (1)
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.
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
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.
Principi fisici dell’ecografia (2)
Qual è il ruolo dell’impedenza?
Se Z 1 e Z 2 sono le impedenze acustiche caratteristiche dei tessuti adiacenti 1 e 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 , quindi posso “misurare” dei tessuti,
rappresentandola con un grigio diverso
Impedenza: un esempio (fare!)
Considerando per esempio il passaggio da aria ad acqua a 20° C e viceversa, dalla Tabella delle impedenze si ricava
Z
aria= ??????
Z
H2O= ??????,
per cui il coefficiente di riflessione all’interfaccia è pari a R = ???????? mentre T = ????????:
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
Z
muscolo= ???????
Z
aria= ???????
e quindi R = ?????
Impedenza: un esempio (soluzione)
Considerando per esempio il passaggio da aria ad acqua a 20° C e viceversa, dalla Tabella delle impedenze si ricava
Z
aria= 444 rayl
Z
H2O= 1.43 ∙10
6rayl,
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.
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
Z
muscolo= 1.70 ∙ 10
6rayl Z
aria= 444 rayl
e quindi R = 0.9990, che lascia una potenza troppo bassa a disposizione
dell’onda trasmessa.
Conseguenze…
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…
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.
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 ∙ 10
6rayl Z
grasso= 1.34 ∙ 10
6rayl,
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.
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
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 = d o = r 2 /
La zona di Fresnel è tale che d < d
o, mentre la zona di Fraunhofer si trova a distanza d maggiore di d
o
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 d
o= ?? cm.
Campo vicino: cilindro lungo d
oe 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 = arcsin 0.61 /r:
Per il trasduttore a 1 MHz dell’esempio precedente il valore
della divergenza è = 3°.
Forma del fascio
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 = d o = r 2 /
La zona di Fresnel è tale che d < d
o, mentre la zona di Fraunhofer si trova a distanza d maggiore di d
o
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 d
o= 26 cm.
Campo vicino: cilindro lungo d
oe largo quanto il trasduttore Campo lontano: il fascio diverge con un angolo di
divergenza = arcsin 0.61 /r:
Per il trasduttore a 1 MHz dell’esempio precedente il valore
della divergenza è = 3°.
Risoluzione
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)
La frequenza impiegata influisce sulla AR perché, in linea di principio, onde di lunghezza λ permettono di stimare dettagli del medesimo ordine di grandezza.
Si verifica che volendo apprezzare, e.g., strutture dell’ordine di 2 mm, la necessaria è pari a circa la metà di questo valore, ossia 1 mm.
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.
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 a tessuto, mentre avere una velocità costante è necessario per la ricostruzione dell’immagine.
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.
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
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
Il fascio che esplora i tessuti del paziente viene via 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:
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).
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).
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.
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
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 a frame, ne
consegue un rumore di difficilissima eliminazione.
Artefatti: Reverberation echoes (riverberazioni)
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.
Buon riflettore
Gli echi sono equispaziati (nel tempo e quindi nella
ricostruzione spaziale), dando origine ad una sorta di scala.
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)
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).
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)
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
Real object
Artifact
Refraction
Multipath
Tre in uno…
Freccia
Ring down
E
Enhancement
S
Shadowing
Tre in uno…
Freccia
Ring down
E
Enhancement
S
Shadowing
Pericolosità
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 3D (e 4D)
La metodica si basa sulla ricostruzione ed elaborazione computerizzata delle normali immagini ecografiche bidimensionali. Si possono ottenere delle immagini in
tridimensionale (3D), cioè immagini ferme che vengono analizzate successivamente da vari punti di vista ed in tre dimensioni, oppure immagini in 4D, 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/eco3d.htm
Ecodoppler (1)
http://www.avenuemedia.eu/source/congressi/congressi_2010/Corso_Congiunto_2010/relazioni/Valeria_Bovina.pdf
Ecodoppler (2)
Ecodoppler (3)
Ecodoppler (4)
Ecodoppler (5)
Ecodoppler (6)
stazionarie
Biblio-Sitografia
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%20Biomediche%2014_12_2010/Diapositive%20in%20pdf/Ultrasound.pdf
Ecografia 3D:
http://www.diagnosiprenatale.it/eco3d.htm
Ecodoppler:
http://www.avenuemedia.eu/source/congressi/congressi_2010/Corso_Congiunto_2010/relazioni/Valeria_Bovina.pdf
Modulo di Young:
http://www.ba.infn.it/~smarrone/ingegneria/lezioni/meccanica/modulo%20young.pdf
