La fisica degli ultrasuoni e l’impostazione dell’ecografo

Stefania MarengoAO Ordine Mauriziano

Torino

La fisica degli ultrasuoni e l’impostazione dell’ecografo

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

- AO Ordine Mauriziano Medicina Interna -

● 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


Di un’onda sonora possiamo quindi definire: ●la frequenza (Herz - numero della lunghezza d’onda: cicli secondo)●la lunghezza (distanza in metri tra due picchi di compressione o rarefazione)●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, come altre forme di radiazioni, possiedono un’energia che è rappresentata dall’intensità del suono ed è misurata in watt/cm2, più comunemente in Bel, o meglio in sottounità, deciBel. Il decibel è l’unità comparativa tra due suoni. Più un suono è intenso più energia cede nel mezzo che attraversa. Gli ultrasuoni utilizzati in diagnostica hanno frequenze elevatissime ( milioni di Herz) e di conseguenza lunghezza d’onda cortissima (frazioni di millimetro). Pertanto 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 espressa in metri/secondo. La velocità è costante in un mezzo omogeneo ed è proporzionale alla densità dello stesso. 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 alla base dell’esame ecografico. E’ direttamente proporzionale alla densità del tessuto e alla velocità del suono. La sua misura è il Rayl .

● Formula dell’impedenza: Z = PC Z è l’impedenza acustica. P è la densità del tessuto C è la velocità del suono.

Fisica Ultrasuoni


Abbiamo detto che gli ultrasuoni attraversano i tessuti con un’impedenza caratteristica di ogni tessuto. Durante l’attraversamento dei tessuti l’intensità degli ultrasuoni si attenua per:

► Riflessione

► Trasmissione

► RifrazioneTrasmissione

Riflessione

Rifrazione

Fisica Ultrasuoni

Per la formazione dell’immagine sono importanti solo gli echi che tornano verso la sonda: gli ultrasuoni residui


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


Durante il funzionamento, la sonda trasmette « pacchetti» di ultrasuoni per l’1% del tempo (1-2 milionesimi di sec.); nel restante 99% la sonda resta in ascolto degli echi di ritorno. 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


Sonda Lineare 7,5 MHz (6 – 13 MHz): Sonda Lineare 7,5 MHz (6 – 13 MHz): alta risoluzione = bassa penetrazione

Sonde

Applicazioni: organi superficiali


Sonde

Sonda Convex 3,5 MHz (3 – 6 MHz): Sonda Convex 3,5 MHz (3 – 6 MHz): media risoluzione = media penetrazione

Applicazioni: addome e torace


Sonde

Sonda Settoriale 2,5 MHz (2 – 3 MHz): Sonda Settoriale 2,5 MHz (2 – 3 MHz): bassa risoluzione = alta penetrazione

Applicazioni: cuore


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 intensità (sonde da 3,5 Mz 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 intensità (da 7 Mz in su); più l’intensità 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


L'immagine ecografica è il risultato di riflessioni sia «reali» sia «artefatte» scaturite dal tessuto sottoposto ad insonazione.

La sola interpretazione morfologica può indurre in errore diagnostico.

Conod’ombra

Iperecogena

Rinforzo

Anecogena

Attenuazione

Ecogena

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 ultrasonore e produce un’immagine grigia sullo schermo la cui tonalità dipende dalla prevalenza dell’una o dell’altra proprietà

Ecogenicità immagine


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


OMOGENEEOMOGENEE : : stessa intensità di grigio costante in ogni zona

OMOGENEAOMOGENEA DISOMOGENEADISOMOGENEA

DISOMOGENEEDISOMOGENEE : intensità di grigio diverse nelle varie zone

Ecogenicità


Interfacciaspeculare

1cm

1cm

1cm

1cm

Artefatti ecografici

RiverberiRiflessioni speculari multiple

Torace: linee A

Linee iperecogene multiple e parallele


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 riflessione + assorbimento: calcificazioni (osso e calcoliosso e calcoli))

2. per riflessione: aria3. per assorbimento : neoplasia

Nodulo calcifico polmonareNodulo calcifico polmonareariaariaossoosso

neoplasianeoplasia

Cono d’ombra posteriore (minus)


distalmente ai margini di strutture rotondeggianti generalmente liquide

Rifrazione del fascio US Rifrazione del fascio US per l’incontro tangenziale per l’incontro tangenziale al profilo laterale della al profilo laterale della struttura rotondeggiante struttura rotondeggiante che si comporta da lente che si comporta da lente acusticaacustica

Aneurisma aorta Aneurisma aorta addominale

Cisti

Ombre acustiche laterali (minus)


Pre-set Profondità Fuoco Guadagni

Comandi fondamentali

Pre-set (dove è fornito!)

Programma pre-impostato per un dato esame con regolazione automatica della sonda e dei principali parametri tecnici


Profondità (depth)

Profondità di esplorazione, modificabile in corso di esame a seconda delle esigenze esplorative (sede dell’organo, morfologia del paziente).

Esempio: 12 cm, 20 cm su sonda convex.



Errore di regolazione della profonditàprofondità (depth)(depth) correttocorretto: 12 cm: 12 cm errato: 20 cm




Fuoco

Determina il punto di massima risoluzione spaziale, va regolato in corso d’esame e portato al livello della regione di interesse


Errore di regolazione del fuoco

corretto errato




Guadagno (gain)Amplifica l’intensità degli echi di ritorno (in profondità il fascio US si attenua)

► Guadagno globale

► Guadagno parziale (Time Gain Control) curva di regolazione differenziata per strati dalla superficie

alla profondità.


Errore di regolazione del guadagno totale (gain) corretto errato (basso) errato (alto)



Grazie


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