METODI FISICIDI DOSIMETRIA

DI FASCI ULTRASONORI

PER DIAGNOSTICA

Dr. Riccardo Di

Liberto

MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE1° anno - 2° semestre a.a. 2005-2006

CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEGLI ECOGRAFI

•Principi di funzionamento;

•Trasduttori e forma del fascio ultrasonoro emesso;

•Modi di analisi;

•Mezzi di contrasto.

PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

•Utilizzo di ultrasuoni nella gamma di frequenze tra 2 Mhz

e 20 MHz;

•Attesa degli echi generati da interfacce comprese tra

mezzi con diversa impedenza acustica, oppure prodotti da

diffusori acustici.

TRASDUTTORI E FORMA DEL FASCIO

•Ultrasuoni generati e ricevuti da elementi piezoelettrici

( ceramiche, quarzi, PVDF);

•Utilizzo di onde ultrasonore continue o pulsate

•Trasduttori singoli o disposti su matrici per

focalizzazione e scansione automatica

Forma del fascio generato da un

trasduttore

Impulsi (PD, PRP, PRF, duty factor)

FOCALIZZAZIONE

•Ottenuta con trasduttori di forma concava;

•Ottenuta con lenti acustiche (rifrazione);

•Ottenuta con matrici di trasduttori eccitati con opportuni

ritardi.

SCANSIONE AUTOMATICALinear array

Phased arrayConvex array

Meccanica

PRINCIPALI MODI DI ANALISI

•Modo di analisi A (A-mode)

•Modo di analisi B (B-mode)

•Real-time

•Modo di analisi M(M-mode)

•Doppler pulsato

•Color Doppler

A-MODE

In te nsità d e ll'e c o

Te m p o op ro fo nd ità

rum o re

se g na le

Il tempo (t) di ritorno

di un eco al trasduttore

è legato alla profondità

(L) della interfaccia che

lo genera:

ctL2

1

c = velocità ultrasuoni = 1540 m/s

B-MODE•Si determina la posizione della linea di vista da cui

provengono gli echi;

•Gli echi vengono rappresentati su uno schermo con

una modulazione in scala di grigi in base alla loro

ampiezza;

•Si acquisiscono i dati di linee di scansione poste

lungo un piano (piano di scansione) e si costruisce

un’immagine bidimensionale.

REAL-TIME

La scansione viene eseguita velocemente e

ripetutamente, con matrici di trasduttori, in modo da

seguire in tempo reale i movimenti delle strutture

interne al paziente.

M-MODE

Viene seguito il moto di una interfaccia mediante la

rappresentazione della sua profondità in funzione del tempo

Se l’interfaccia è ferma viene visualizzata una linea retta

orizzontale; se l’interfaccia cambia la sua profondità la

linea si sposta verticalmente.

ECOCARDIOGRAFIA

DOPPLER IMAGING

cos2

cos2

0

0

f

cfv

c

vff

D

D

fD = frequenza Doppler v = velocita di scorrimento del fluido

c = velocità dell’onda ultrasonora nel mezzo

COLOR DOPPLER

Sull’immagine bidimensionale in scala di grigi viene

sovrapposta una mappatura in colore riferita alla

frequenza Doppler e quindi alla velocità del fluido.

rosso: fD > 0

blu: fD < 0

MEZZI DI CONTRASTO•Utilizzati per migliorare le diagnosi

•Bolle di aria libere o incapsulate con tropismo specifico

Immagine ottenuta senza

mezzo di contrasto

Immagine ottenuta con

mezzo di contrasto

MECCANISMI CHE INDUCONO EFFETTI BIOLOGICI

•Effetti meccanici della pressione acustica

•Streaming (fluidi)

•Cavitazione stabile e transiente (soglia di intensità)

•Effetti termici (assorbimento)

tra sd u tto red ire zio ne d e l flusso c o np re se nza d i stre a m ing

GRANDEZZE FISICHE CORRELATE CON GLI EFFETTI

BIOLOGICI

PRESSIONE

ACUSTICA (Pa)

INTENSITÀ

ACUSTICA (mW/cm2)c

pI

2

•Pressione massima negativa (pr)

•Pressione efficace sulla durata

dell’impulso (pp)

•Pressione di picco spaziale efficace

sull’impulso (pspp)

•Pressione di picco spaziale efficace

sul periodo di ripetizione (pspr)

•Intensità di picco spaziale

mediata sull’impulso (Isppa)

•Intensità di picco spaziale e media temporale (Ispta)

LINEE GUIDA FDA E AIUM SUI LIMITI DI DOSE

Nel caso di fasci focalizzati con Ispta < 1 W/cm2 gli effetti termici e di

cavitazione risultano comunque trascurabili.

Applicazione clinica Ispta (mW/ cm2)

Vasi periferici 1500

Cuore 730

Addome, piccoli organi,testa, bambini e feto

180

Occhi 68

Tipi di ECOGRAFI di differente tecnologia

Marca: ATLModello: Hdi 3000

(banda larga)

Marca: SIEMENSModello: Antares

(banda stretta)

SONDE ANALOGHE NEI DUE TIPI DI ECOGRAFO

ATL Hdi 3000 SIEMENS Antares

Convex 4-2 Linear 10-5 Convex 5-2 Linear 10-5

CONTROLLI DI QUALITA’Analisi di alcuni parametri delle immagini di un apposito fantoccio mediante il software “UltraIq” (Ramsoft).

Il software prende in considerazione i livelli di grigio dei pixel.

UniformitàLinearità assiale

Risoluzione assiale e lateraleForma di pseudo cisti e pseudo tumori

Ampiezza della “zona morta”

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

P S E U D O C IS T I

S C A L A D I G R IG I

P S E U D O C IS T EP S E U D O T U M O R E

Z O N A M O R TA

R E P E R I D I N Y L O N

R IS O L U Z IO N E A S S IA L E

cm

3 m m

3 m m

TA R G E T P E R L A Z O N A M O RTA

2 .0 m m

1 .0 m m

0 ,5 m m

0 ,2 5 m m

1 .0 m m

TA R G E T P E R L A R IS O L U Z IO N E A S S IA L E

FANTOCCIO GAMMEX RMI 403GS LE

ATL Hdi 3000 SONDA CONVEX

Fuochi

ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSAUniformità

0

50

100

150

0 5 10 15

Profondità

Va

lor

med

io d

ei

liv

elli

di

gri

gio

MISURE DI PRESSIONE ED INTENSITA’ ACUSTICA

Vengono eseguite misure con diverse configurazioni degli

ecografi:

• ricerca del picco spaziale della pressione acustica efficace

mediata sull’impulso, al fine di calcolare Ispta.

•andamento della pressione acustica massima negativa, della

pressione acustica efficace mediata sull’impulso e della Ispta in

funzione della emissione dell’ecografo (indice meccanico MI)

•andamento dei profili di emissione in direzione della scansione

e in direzione perpendicolare alla scansione, alla profondità del

picco spaziale.

E lem entopiezoelettr ico

C avocoassiale

R ivestim entoesterno

Z ona per ilfissaggio

IDROFONOR iv e s tim e n to e s te rn o

E le m e n to p ie z o e le ttric o M a te ria le d i B a c k in g E le ttro d o

T u b o d i so s te g n o (G n d )

1 m

m

± 11% tra 1 MHz e 7 MHz± 10,4% tra 8 MHz e 10 MHz± 12,2% tra 11 MHz e 13 MHz± 14,3% a 15 Mhz± 14,9% a 17 MHz± 16% a 19 MHz± 16,6% a 20 MHz

Incertezza di misura

Impedenza di tipo capacitivo

84 3 pF

Curva di calibrazione

FANTOCCIO AD ACQUA

x

y

Id ro fo n o

F a n to c c ioa d a c q u a

S u p p o r tof iss a g g io

so n d a

z

A s se z

A s ta g ra d u a ta

Id ro fo n o

F la n g ia d ia c c o p p ia m e n to

in M y la r

ANALISI DEGLI IMPULSIATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA

Impulso

0 1 2

Tempo (us)

ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSAAnalisi di fourier dell'impulso

0 5 10 15 20

Frequenza (MHz)

RICERCA DEL PICCO SPAZIALEATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA (fuoco a 2 cm)

Ricerca della pspp

0,0E+00

2,0E+05

4,0E+05

6,0E+05

8,0E+05

1,0E+06

1,2E+06

0 1 2 3 4 5 6 7

Profondità (cm)

Pre

ssio

ne

acu

stic

a p

p (

Pa)

ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA (fuoco a 3,5 cm) Ricerca della pspp

0,0E+00

5,0E+05

1,0E+06

1,5E+06

0 2 4 6 8 10 12

Profondità (cm)

Pre

ssio

ne a

cust

ica

pp

(Pa)

ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA (tutti i fuochi) Ricerca della pspp

0,0E+00

2,0E+05

4,0E+05

6,0E+05

8,0E+05

1,0E+06

1,2E+06

1,4E+06

1,6E+06

0 2 4 6 8 10 12 14

Profondità (cm)

Pre

ssio

ne

acu

stic

a p p

(P

a)

Il fuoco a profondità

intermedia è quello che genera

i valori più alti della pressione

acustica di picco mediata sulla

durata dell’impulso

ANDAMENTO CON L’INDICE MECCANICO (MI)

f

pMI r pr = pressione massima negativa di picco spaziale

f = frequenza portante dell’impulso

SIEMENS ANTARES - SONDA LINEARE (fuoco a 2 cm) Andamento della pspp e della pr in funzione dell'indice

meccanico

0,0E+00

5,0E+05

1,0E+06

1,5E+06

2,0E+06

2,5E+06

3,0E+06

3,5E+06

4,0E+06

4,5E+06

0 0,5 1 1,5 2

Indice meccanico

Pres

sion

e (P

a) Pressione efficacemediata sull'impulso

Pressione massimanegativa

ATL Hdi 3000 - SONDA LINEARE (fuoco a 3,6 cm) Andamento della pspp e della pr in funzione dell'indice meccanico

0,0E+00

5,0E+05

1,0E+06

1,5E+06

2,0E+06

2,5E+06

3,0E+06

3,5E+06

0 0,5 1 1,5

Indice meccanico

Pres

sione

acu

stic

a p

p (P

a)

Pressione efficace mediatasull'impulso

Pressione massimanegativa