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Fisica degli Ultrasuoni ed impostazione dell’ecografo Stefania Marengo

Medicina Interna

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Il sottoscritto Stefania Marengo ai sensi dell’art. 3.3 sul Conflitto di Interessi, pag. 17 del Reg. Applicativo dell’Accordo Stato-Regione del 5 novembre 2009, dichiara che negli ultimi due anni NON ha avuto rapporti diretti di finanziamento con soggetti portatori di interessi commerciali in campo sanitario


● L’ecografia è una tecnica diagnostica per immagini basata sugli echi prodotti da un fascio di ultrasuoni che attraversa un organo o un tessuto

● L’ecografia viene utilizzata in ambito diagnostico e terapeutico; la sua diffusione è favorita dalla innocuità, dalla economicità, dalla ripetibilità e soprattutto dalla sensibilità diagnostica per patologie di molti organi e tessuti.

● Il limite principale è che è un esame operatore dipendente: affinchè le informazioni ecografiche siano correttamente interpretate si richiedono particolari doti di manualità, capacità di osservazione, cultura dell’immagine, esperienza clinica

Ecografia: caratteristiche


La natura ha ispirato la prima applicazione degli ultrasuoni. Spallanzani nel 1794 dimostrò che i pipistrelli usavano gli ultrasuoni per orientarsi nel volo notturno, successivamente si vide che anche molti cetacei usavano gli ultrasuoni per localizzare ostacoli o catturare prede.

La prima applicazione pratica degli ultrasuoni è stata militare: il SONAR (Sound Navigation and Raging ) negli anni 30 iniziò ad essere utilizzato per visualizzare sottomarini o mine

Ultrasuoni in natura


Le prime segnalazioni sull’utilizzo degli ultrasuoni come diagnostica sono degli anni 50 ma è intorno al 1970 che inizia il loro utilizzazione in ambito medico

Ecografia con apparecchio Panscanner anni 50.

La sonda ruota intorno al paziente immerso nell’acqua

Allora NON era un esame facile…


Le onde sonore sono radiazioni di natura meccanica e hanno bisogno di un mezzo per propagarsi.

Gli ultrasuoni sono onde sonore di altissima frequenza e non sono udibili dall’orecchio umano che è in grado di percepire suoni tra i 20 e i 20.000 Herz.

Sotto i 20 Herz non ci sono suoni e sopra i 20.000 non sono udibili dagli umani ma da molti animali (il cane può udire fino a 100.000 Herz).

Le onde sonore


Per avere un’idea:

● la voce di un uomo ha una frequenza intorno ai 100 Hz

● La voce di una donna sui 200 Hz

● Il la del diapason 440 Hz

L’Hertz è l’unità di misura della frequenza di fenomeni a carattere ciclico ed è pari a un ciclo al secondo

Fisica Ultrasuoni: frequenze


Gli ultrasuoni come tutte le onde sonore possono essere descritte come dei fenomeni di compressione e rarefazione della materia ovvero su un asse cartesiano con un sinusoide i cui picchi positivi corrispondono alla massima compressione e quelli negativi alla rarefazione

Fisica Ultrasuoni

Lunghezza d’onda


Di un’onda sonora possiamo quindi definire:

● la frequenza (numero di cicli completi al secondo: in Hertz)

● la lunghezza (distanza in metri tra due picchi di compressione o rarefazione: in cm)

● la velocità di propagazione (frequenza x lunghezza d’onda = metri/secondo)

● l’intensità (ampiezza: watt/cm2, in decibel)

● il periodo (tempo che intercorre tra il passaggio di due fronti d’onda nello stesso punto)

Fisica Ultrasuoni


Gli ultrasuoni utilizzati in diagnostica hanno frequenze elevatissime (milioni di Herz) e di conseguenza lunghezza d’onda cortissima (frazioni di millimetro).

Maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d’onda e maggiore è la risoluzione spaziale dell’immagine ottenibile

Fisica Ultrasuoni


● La velocità di propagazione di un onda sonora dipende dalle

proprietà del mezzo che attraversa ed è proporzionale alla densità del mezzo attraversato; viene espressa in metri/secondo.

Le onde sonore si propagano più velocemente nei liquidi e i nostri organi intra addominali (fegato, milza, reni) sono ricchi di acqua e ideali da esaminare.

Tuttavia ogni mezzo oppone una resistenza alla propagazione dell’onda sonora che si definisce Impedenza.

● L’impedenza rappresenta una proprietà della materia ed è direttamente

proporzionale alla densità del tessuto e alla velocità del suono; la sua misura è il Rayl .

Formula dell’impedenza: Z = P (densità del tessuto) x C (velocità del suono)

Fisica Ultrasuoni


Durante l’attraversamento dei tessuti l’intensità degli ultrasuoni si attenua per:

►Riflessione

►Trasmissione

►Rifrazione

Trasmissione

Riflessione

Rifrazione

Fisica Ultrasuoni

Per la formazione dell’immagine sono importanti solo gli echi che

tornano verso la sonda: gli ultrasuoni residui


L’onda incidente viene «riflessa» incontrando un’interfaccia: a seconda dell’interfaccia ci sono diversi coefficienti di riflessione: ● Interfaccia acqua/grasso 3.5 %

● Interfaccia acqua/aria 100 %

Mezzo 1

Mezzo 2

Interfaccia

Onda incidente Onda riflessa

Riflessione


Dispersione in tutte le direzioni (a 360°) quando il fascio US incontra un tessuto costituito da particelle più piccole della sua lunghezza d’onda.

Diffusione


Deviazione di una porzione del fascio US non riflessa: trasmissione non assiale, le cui cause possono essere: diversa velocità di propagazione nei tessuti o angolo di incidenza.

Mezzo 1

Mezzo 2

Onda incidente

Onda trasmessa

Rifrazione


L ‘apparecchio ecografico presenta uno strumento detto trasduttore o sonda che è deputato alla produzione e alla ricezione degli echi.

Nella sonda sono presenti cristalli piezoelettrici che hanno la proprietà di vibrare se sottoposti a tensione elettrica e quindi di tornare alla forma originale; questo repentino ritorno elastico fa entrare in risonanza i cristalli, determinando vibrazioni che generano ultrasuoni. Gli stessi cristalli investiti dagli ultrasuoni di ritorno dai tessuti si deformano generando una piccola corrente elettrica.

Ecografia: le sonde


La sonda trasmette « pacchetti» di ultrasuoni per l’1% del tempo (1-2 milionesimi di sec.): FASE DI EMISSIONE. Nel restante 99% la sonda resta in attesa degli echi di ritorno: FASE DI ASCOLTO.

Gli echi di ritorno deformando i cristalli piezezolettrici provocando segnali elettrici che consentono la formazione dell’immagine. A seconda del ritardo con cui gli echi arrivano alla sonda vengono disposti nella matrice dell’immagine: più precoci le zone superficiali e tardive le profonde).

Il passaggio tra due tessuti è segnato da interfacce acustiche.

Sonde: trasmissione e ricezione

Formazione degli echi Attenuazione degli US


Sonda Lineare 7,5 MHz (6 – 13 MHz)

alta risoluzione = bassa penetrazione

Sonde

Applicazioni: organi superficiali


Sonda Convex 3,5 MHz (3 – 6 MHz)

media risoluzione = media penetrazione

Applicazioni: addome e torace

Sonde


Sonde

Sonda Settoriale 2,5 MHz (2 – 3 MHz)

bassa risoluzione = alta penetrazione

Applicazioni: cuore


A

B

C

D

E

Orientamento della sonda

E

D : Sonda E : Piano di scansione

A : rotazione B : basculamento C : inclinazione

B C


TESTA

ANTERIORE

POSTERIORE

Scansione longitudinale

TESTA

TESTA


DESTRA

ANTERIORE

POSTERIORE

DESTRA

Aorta

Scansione trasversale


Gli echi prodotti dagli ultrasuoni una volta raggiunta la sonda possono essere visualizzati con diverse modalità.

Le principali sono :

● A mode (Amplitude mode)

● B mode (Brigthtness mode)

● B mode real time (B mode dinamico)

● M mode o TM mode (Time Motion mode)

A mode

B mode

Modalità visualizzazione

M mode


La modalità B mode Real Time è quella che abitualmente viene utilizzata per l’esame ecografico addominale.

► Per vedere le strutture profonde dobbiamo utilizzare basse frequenze (sonde da 3,5 MHz spesso convex con cristalli disposti in modo da realizzare un’immagine più ampia possibile con buona visione laterale).

► Per le parti superficiali le sonde ad alta frequenza (da 7 MHz in su); più la frequenza è alta più si osserveranno solo le parti superficiali

Il segnale analogico viene trasferito in digitale con 256 livelli di grigio.

Ecografia B mode real time


Cono d’ombra

Rinforzo

Anecogena

Attenuazione

Ipercogena

Iperecogena

Il tessuto ha proprietà di riflettere le onde ultrasonore e produce un’ immagine bianca sullo schermo

Anecogena

Il tessuto ha proprietà di trasmettere le onde ultrasonore e produce un’ immagine nera sullo schermo

Ecogena

Il tessuto ha proprietà sia di trasmettere, sia di riflettere le onde US e produce una immagine grigia sullo schermo la cui tonalità dipende dalla prevalenza dell’una o dell’altra proprietà

Ecogenicità immagine

Ecogena


Immagini di parete IPERECOGENE

Riflessione


Immagini di parenchima ECOGENE

Diffusione


Immagini di «vuoto» ANECOGENE

Non interazioni con US


Anecogeno

Ipoecogeno

Ecogeno

Iperecogeno

Ecogenicità

Scala dei

Grigi


Interfaccia speculare

1 cm

1 cm

1 cm

1 cm

Artefatti ecografici

Riverberi Riflessioni speculari multiple

Torace: linee A

Linee iperecogene

multiple e parallele


Artefatti ecografici

Altri Riverberi

Torace: linee B Colecisti: code di cometa


Tessuti molli

Riflessioni multiple di tipo diffuso tra il trasduttore e le strutture presenti nel tragitto compiuto dagli ultrasuoni prima di

giungere alla raccolta liquida

Versamento pleurico

Effetto pioggia (plus)


Gli echi riflessi tra una superficie riflettente speculare curva e una struttura vicina allungano il tempo per tornare alla sonda, ciò è interpretato come maggiore distanza percorsa.

Effetto specchio (plus)


Attraverso una struttura liquida gli echi sono quasi interamente trasmessi, mentre nei tessuti intorno subiscono attenuazione.

Posteriormente il fascio arriva dotato di maggiore intensità rispetto ai tessuti vicini

Rinforzo posteriore (plus)


1. per assorbimento: neoplasia

2. per riflessione più assorbimento: calcificazioni (osso e calcoli)

3. per riflessione: aria

Nodulo calcifico polmonare aria

neoplasia

Cono d’ombra posteriore (minus) 1

2 3


L’immagine ecografica è il risultato della elaborazione degli echi che tornano alla sonda e va interpretata.

L’ecografo non è intelligente… L’operatore dovrebbe essere intelligente

Artefatti

Grazie

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