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TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE SULPIZIO SARA

Gli ultrasuoni nella diagnostica medica

TESINA di Sulpizio Sara

(M164736)

CLS BIOTECNOLOGIE MEDICHE

Corso di FISICA IMAGING MOLECOLARE (Prof. Alecci)


Introduzione

L’uso degli ultrasuoni in medicina a scopo

diagnostico risale al 1949 con la prima scansione ad

opera dell’austriaco Karl Dussik.

Stime del 2003 rivelano che il 25% delle immagini

per uso diagnostico sono realizzate mediante

ecografia.

L’ecografia è divenuta negli anni parte indispensabile

dell’iter diagnostico delle patologie dei tessuti molli.


Principi Fisici di BaseGli ultrasuoni sono onde elastiche e sonore con frequenza > 16-20

kHz che propagandosi in un mezzo producono delle bande di compressione e rarefazione.

La tecnica US è resa possibile dalla limitata velocità di propagazione delle onde acustiche nei tessuti molli, che consente di misurare i tempi di propagazione.

La velocità di propagazione degli US è data da:

Nei tessuti biologici è circa 1540 m/s eccetto l’osso la cui ν = 4000 m/s

fv

vZ L’impedenza acustica è

la proprietà che ci permette di distinguere i diversi tessuti.


Principi Fisici di Base

• Onda Incidente• Onda Diffusa o Scattering• Onda Trasmessa o

Rifratta• Onda Riflessa

Propagazione US all’interfaccia

2

21

21

coscos

coscos1

it

it

ZZ

ZZTR

at

ri


Principi Fisici di Base

• L’intensità di un fascio ultrasonoro decresce progressivamente nel progredire dello stesso all’interno dei tessuti.

• Nella progressione degli US nel mezzo l’energia assorbita dai tessuti attraversati viene convertita in calore.

Attenuazione

i

f

I

IdBA 1 0lo g1 0)(

tessuto


Descrizione dell’Apparato • Sonda

Le onde ultrasonore sono generate

sfruttando il fenomeno di

piezoelettricità, caratteristico di

materiali a struttura cristallina es:

Quarzo;

Ceramiche policristalline (PZT,

titanato di piombo, zirconio);

Polimeri (PVDF). + - + - + -

+ - + - + -

+ - + - + -

+

+

+

+

+

+

+

+

------------

Trasmette impulsi e riceve echi.

m


Descrizione dell’Apparato

• Sistema elettronico

• Scan converter

• Sistema di visualizzazione


Sistemi a scansione

A ModeB ModeM modeDoppler

Harmonic Imaging3D

{CW Doppler

PW Doppler

Eco-color Doppler

Power Doppler

TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE SULPIZIO SARAA Mode o rappresentazione distanziometrica

Si fonda sulla conoscenza a priori dell’anatomia delle strutture che giacciono sul percorso degli US e serve a:

• Determinare la distanza tra sonda e superficie dell’eco

• Distinguere i tessuti

Intensità dell’eco

tempo

rumore


B Mode: sistema a posizionamento temporale

Immagine costituita da un insieme di linee e punti luminosi,

definita rappresentazione B-dimensionale o B-mode. Il risultato

finale è la visualizzazione, in “scala dei grigi”, di una sezione

dell’organo in esame.

cisti epatica semplice lesione iperecogena


M mode

Il formato M-mode non è altro che un B-mode ripetuto ad

intervalli di tempo sufficientemente brevi per riprodurre il

movimento dell’interfaccia

Ivus Aorta


Doppler: definizione L'effetto Doppler è usato in medicina per la rilevazione della

velocità del flusso sanguigno.

Un trasmettitore orientato opportunamente genera US che

vengono poi riflessi con una nuova frequenza, a seconda della

velocità vettoriale delle particelle sanguigne, rilevata e

rielaborata matematicamente si ottiene la misura di velocità

del flusso sanguigno.


Doppler: approccio matematico

• Se il corpo riflettente è in movimento con velocità ν la cui

direzione forma un angolo θ rispetto alla direzione di

propagazione dell’onda, la frequenza riflessa dalla particella ( ƒr)

sarà diversa da quella emessa (ƒe).

• Nell’ipotesi che la velocità v della particella sia molto inferiore

rispetto alla celerità C di propagazione dell’onda, si dimostra che

è valida la seguente relazione:

• dove ƒd prende il nome di Doppler Shift (Frequenza Doppler), è

misurabile ed è proporzionale alla velocità.

eerd fc

vfff

co s2


Trasmettitore e ricevitore sono due trasduttori fisicamente separati ed entrambi lavorano con continuità.

– Se l’oggetto riflettente è fermo la ƒr = ƒe;

– se l’oggetto è in movimento verso il trasduttore la ƒr > ƒe;

– se l ’oggetto è in allontanamento dal trasduttore la ƒr < ƒe

– Distingue le velocità delle particelle;

– Non si distingue la localizzazione delle particelle nello spazio.

Doppler CW ad onda continua


Unico trasduttore che emette un burst ultrasonoro di breve durata e si pone in attesa dell’eco. Dopo un certo intervallo di tempo il trasduttore emette un nuovo burst, e così via.

Il segnale di ritorno contiene tre informazioni:

˜ Localizzazione dell’oggetto riflettente

˜ Natura dell’oggetto riflettente

˜ Velocità dell’oggetto riflettente

Doppler PW ad onda pulsata


Eco-Color Doppler

Soddisfa la necessità di avere contemporaneamente

informazioni fra spettro di velocità e volumi campione.

All’immagine M-Mode è sovrapposta una mappatura in scala cromatica delle velocità medie presenti in ciascun frame, in cui il colore rappresenta la direzione del flusso e la velocità.

Utilizzata per:

• Identificazione delle placche ipo/anecogene

• Stenosi

• Identificazione dell'irregolarità di decorso

• Occlusioni trombotiche


Power Doppler

Il segnale è determinato dalla densità delle cellule ematiche in movimento.

Alta sensibilità e definizione della distribuzione della vascolarizzazione .

Non dipende dalla velocità del flusso

Poco attendibile sulla direzione del flusso

Non dipende dall'angolo di incidenza

Power doppler di carotide interna


Harmonic Imaging

Dopo aver inviato il segnale ad una data frequenza

(ƒ0 ), settando lo strumento in ricezione in una banda

centrata su una frequenza doppia (2ƒ0 ), ed

eliminando le armoniche spurie, si ottimizza il risultato

diagnostico diminuendo gli artefatti in pazienti

ecograficamente difficili es. Obesi.

Aumenta la risoluzione spaziale in profondità

Si utilizzano mezzi di contrasto


Mezzi di contrasto (MdC)

I mezzi di contrasto sono sostanze che aumentano

le informazioni contenute in una immagine

prodotta da strumenti di diagnostica medica.

Alterano il contrasto di un organo, di una lesione o

di qualsiasi altra struttura rispetto a ciò che la

circonda, in modo da rendere visibili dettagli che

altrimenti risulterebbero non apprezzabili.


Mezzi di contrasto (MdC)I mezzi di contrasto ultrasonografici sono soluzioni contenenti

micro-bolle di aria o gas capaci di riflettere con efficienza i

fasci di ultrasuoni utilizzati durante l'esame ecotomografico.

1. Prima generazione sono microsfere nude, estremamente instabili;

2. Seconda generazione incapsulate con shell di albumina o di

galattosio;

3. Terza generazione ottenute aumentando la rigidità della

shell oppure utilizzando gas di scarsissima diffusività nei

liquidi; aumentando l’emivita.


3D

Acquisizione di una serie di singole

slide di volume e orientamento diversi

con sistemi a motore o a mano libera.

Ricostruzione volumetrica e

multiplanare unendo informazioni di

tutte le slides

Visualizzazione dell’oggetto in 3D

Maggiore risoluzione spaziale

Ridotta dipendenza operatore

Matching

Nuova tecnologia ancora in

evoluzione.


Applicazioni nella diagnostica medica

L’ecografia è parte irrinunciabile dell’iter diagnostico delle

patologie dei tessuti molli.

La diagnostica ultrasonica viene applicata :

• allo studio del cuore e dei vari segmenti dell’albero vascolare,

• dei parenchimi e organi addominali;

• nell’esame di patologie del torace,

• dell’apparato locomotore,

• dell’occhio,

• delle ghiandole…


Applicazioni nella diagnostica medica

L’ecografia è ormai diventato un esame di routine

fondamentale in diversi campi: internistico, chirurgico,

ginecologico, endocrinologico, urologico, ostetrico,

ortopedico...

L’ecografia viene utilizzata come guida per manovre di tipo

interventistico: biopsie, drenaggi di ascessi,

posizionamento di cateteri, inseminazione artificiale...


Ecocardiografia

Metodica ultrasonora che studia il movimento del sangue dentro il

cuore ed i vasi, permette di avere informazioni

di tipo emodinamico e funzionale;

una malattia cardiaca in tutti i suoi aspetti, anatomici ed

emodinamici;

sulla sua contrattilità, sulla morfologia delle valvole cardiache;

nello sport malattie cardiache sconosciute ed asintomatiche.


Ecocardiografia

L'esecuzione dell'ecocardiografia transesofagea, cioè per via

endoscopica, permette di svelare alcune forme patologiche,

come

vizi valvolari complessi,

malformazioni congenite,

di patologie a carico dall'aorta toracica,

di fonti emboligene di origine cardiaca.


Elastografia

L’elastografia è una metodica che consente di fornire informazioni,

soprattutto sui noduli della mammella o fegato: esercitando una

certa pressione sulla cute per misurare la comprimibilità dei noduli.


Ecografia Articolare

• L'ecografia è molto utile per rilevare la presenza di corpi estranei radiotrasparenti. Un corpo estraneo fatto di legno, acciaio, pietra, vetro, ghiaia e plastica genera normalmente un'ombra acustica e/o un fenomeno di riverberazione.

• L’uso dell’ecografia ha aumentato la conoscenza sulle affezioni articolari e la capacità di identificare delle lesioni non rilevabili prima.


L'ecografia in ostetricia Con l'ecografia è possibile osservare in modo

dettagliato il feto:

la colonna vertebrale,

la vescica,

i reni,

lo stomaco,

le strutture intracraniche,

il cuore del feto,

morfologia,

movimenti,

nei comportamenti per determinare l'epoca della gravidanza,

la posizione del feto


L'ecografia in ginecologiaIn campo ginecologico l'esame ecografico

rappresenta un valido complemento all'esame

clinico.

L'ecografia pelvica consente uno studio accurato

degli organi pelvici e ci permette di:

• identificare con precisione un organo;

• visualizzare e localizzare una massa;

• determinare la grandezza della massa;

• differenziare la massa;

• relazione con gli organi contigui;

• indici di malignità.

cisti endometriosica


Ecografia Del Collo

Permette lo studio:

• della ghiandola tiroidea,

• delle ghiandole salivari,

• delle stazioni linfonodali,

• delle paratiroidi.


Ecografia di Fegato e Vie Biliari Lo studio ecografico del fegato

permette di differenziare un fegato sano da uno affetto:

• da malattie croniche,

• tumori benigni o maligni,

• cisti,

• ascessi epatici…

L'utilizzo della colecistografia per la diagnosi dei calcoli della cistifellea.


Ecografia Pancreas e Milza

L'ecografia è utile nello studio di pancreatiti

L'ecografia della milza serve a diagnosticare:

• ascessi,

• infezioni,

• cisti,

• tumori,

• trauma addominale.


• Cisti renali

• tumori renali

Ecografia reni


L'ecografia oculare è di massima utilità quando vi sono opacità dei mezzi:

cataratta avanzata, emorragia interna.

In casi selezionati, può costituire una valida alternativa alla TAC ed alla NMR.

Possono essere eseguite ecografie con tecnica a contatto e ad immersione,

per misurazioni biometriche.

Ecografia oculare


Ecografia oculare L'ecografia orbitaria permette di studiare

• la ghiandola lacrimale,

• i muscoli oculomotori,

• il nervo ottico …

Perfino in presenza di mezzi trasparenti, per la diagnosi differenziale e

la valutazione delle dimensioni dei tumori intraoculari.

TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE SULPIZIO SARAConclusioni: vantaggi dell’ecografia

1. E' una indagine indolore;

2. Pressoché assente invasività;

3. Facilità di esecuzione;

4. Multiplanarietà;

5. Brevità;

6. Ripetibilità dell’indagine;

7. Basso costo;

8. Poco disagio per il paziente, buona compliance;

9. US sono i più sicuri fra i

metodi che usano radiazioni

ionizzanti;

10. Forniscono informazioni

complementari ad altre

tecniche diagnostiche

11. Diagnostica patologie dei

tessuti molli;

12. Permette la produzione di

sezioni trasversali del corpo;

13. Ottima risoluzione temporale.


1. Nessuna rappresentazione dell’osso;

2. È una metodica fortemente operatore-dipendente;

3. Pazienti sottoposti per molto tempo a terapia con US

possono manifestare alterazioni a carico SN, gonadi ,

occhi, muscoli, demineralizzazione osso in modo

transitorio.

4. Vi è evidenza di effetti dannosi a intensità superiore a 100

mW/cm2;

5. Sono più dannosi US a fasci continui es CW doppler;

6. È buona norma evitare esposizioni non necessarie e

minimizzare i tempi di scansione.

Conclusioni : svantaggi dell’ecografia


Bibliografia essenziale• Dewey , Ultrasuoni nella diagnostica medica , Le Scienze , n. 119, pg.56 (1978)

• P.N.T Wells, “ultrasound imaging “ Phys. Med. Biol. 51 (2006) R83–R98

• G. Valli, G. Coppini, “Bioimmagini”. Patron Editore, Bologna, 2002;

• S Dandekar, Y Li, J Molloy and J Hossack “A phantom with reduced complexity for

spatial 3D ultrasound calibration” Ultrasound Med. Biol., 31 1083–93, 2005

• NCRP report n°74 “biological effect of us: mechabism and clinical implication”

• Borsa, Gulmanelli, Scannicchio “ fisica biomedica”, Pavese, 1983

• A.B. Wolbarst, “Physics of Radiology”, Prentice Hall, 1993;

• C. Nicolini, A. Rigo, “Biofisica e Tecnologie Biomediche”, Zanichelli, 1994;

• http://www.oftalmobari.com/ecografia.htm

• http://www.villabetania.org/Ecografia.htm

• http://www.arienti-v.com/formazione/medinterna/Ecografia_torace.pdf

• http://www.aifmcaldirola.net/2004_Ultrasuoni/

• http://www.eng.cam.ac.uk

• http://www.unit.no

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