LA FISICA DEGLI ULTRASUONI LA COSTRUZIONE …siec.zenix.it/Dispense/mat aggiuntivo_BASE_RMfeb16/Lez 3 corso base... · miglioramenti dell’imaging ecocardiografico • Oggi con l’HTI

Roma 11-13/2/2016

Lezione 3

LA FISICA DEGLI ULTRASUONI LA COSTRUZIONE DELL’IMMAGINE 2D

Dott.ssa Lidia Boccardi Roma

CORSO DI FORMAZIONE IN ECOCARDIOGRAFIA DI BASE PER AREA TECNICO-INFERMIERISTICA

ROMA 11-13/2/2016

1Lidia Boccardi

‹N›Lidia Boccardi Roma 11-13/2/2016

Gli ultrasuoni si diffondono come onde sonore Il Suono è energia che attraversa la materia come un'onda che provoca compressione e rarefazione delle particelle che costituiscono la materia (oscillazioni meccanico-elastiche)

Vibrazioni meccaniche in un mezzo fisico

ONDE : successive compressioni e rarefazioni

PRINCIPI FISICI DEGLI ULTRASUONI

22


Sono rappresentati graficamente come una sinusoide, in cui la dimensione orizzontale è il tempo e quella verticale l’intensità o ampiezza. La distanza fra due vibrazioni fornisce la lunghezza d’onda (λ) ed il numero di vibrazioni in un secondo la frequenza (f) dell’onda in esame .

1 secondo

FREQUENZA

Principi fisici e terminologia degli Ultrasuoni

3


Ciclo tempo che intercorre tra 2 successive compressioni

4Roma 11-13/2/2016


λ = Lunghezza d’onda: distanza tra inizio del ciclo e quello successivo

Frequenza (f) : n° cicli / unità di tempo (unità di misura Hz: 1 ciclo per secondo)

Principi fisici e terminologia degli Ultrasuoni: frequenza


f = Numero di cicli al secondo (Hz)Scala di valori:1 ciclo/s 1Hz1000 cicli/s 1KiloHz1000000 cicli/s 1MegaHz

20 KHz

1 MHz

30 MHz

Principi fisici e terminologia degli Ultrasuoni: FREQUENZA


GLI ULTRASUONI

16 – 20.000 HZ SUONI

> 20.000 HZ ULTRASUONI

< 16 HZ INFRASUONI

Voce di uomo: circa 100 Hz, Voce di donna: circa 200 Hz; nota LA del diapason: 440 Hz

2,5-10 MHz ULTRASUONI DIAGNOSTICI


Ogni mezzo oppone una certa “resistenza” alla propagazione di un’onda sonora. Questa resistenza è detta “impedenza”.

L’impedenza è direttamente proporzionale alla densità del materiale attraversato e alla velocità del suono.

Impedenza (Z) = Densità (ρ) x velocità di propagazione (c)

Impedenza


La diagnostica ecografica si fonda sull’interazionetra

l’onda meccanicae le particelle del

mezzo attraversato.

Gli ultrasuoni


L’ecografia è metodica diagnostica che utilizza le proprietà degli ultrasuoni per ottenere immagini e segnali finalizzati a ricavare dati di ordine morfologico e funzionale.


1. ATTENUAZIONE proporzionale alla distanza ed al tipo di tessuto

2. RIFLESSIONE dipende dall’angolo di incidenza

3. REFRAZIONEtrasmissione dell’onda con cambio di direzione

in relazione all’impedenza acustica4. DISPERSIONE

suono in varie direzioni

ONDE SONORE EFFETTI INTERFACCIA


Attenuazione

le onde di bassa frequenza penetrano più in profondità (si attenuano meno)!

questo fenomeno si verifica per la trasformazione di energia meccanica

in energia termica (assorbimento)


Onda Incidente

Onda Riflessa

Onda Rifratta

Nelle regioni con diverse caratteristiche fisiche cambia la velocità di propagazione, e l’onda viene RIFRATTA, modificando la l e la

direzione di propagazione

‹N›Lidia Boccardi Roma 11-13/2/2016Settore formazione 2007-2009

In principio fu il Sonar ……..


• La diagnostica ecografica si fonda sull’interazione traun’onda meccanica (ultrasuoni) e le particelle del mezzo(organi e tessuti) da essa attraversato: I TESSUTI NONSONO OMOGENEI, ma costituite da piccole particelle condifferente resistenza acustica specifica

• La riflessione del suono si verifica nel passaggio tra due mezzi didensità diversa (e quindi con diversa impedenza acustica):

- pericardio/miocardio- miocardio/endocardio- endocardio/sangue intracavitario

• L’aria attenua l’energia degli ultrasuoni- 6000 volte più dell’acqua- Aria dei polmoni/cuore = elevata impedenza acustica

Principi fisici e terminologia degli Ultrasuoni


La velocità di propagazione nei diversi materiali varia in funzione diVelocità propagazioneDensità Impedenza

Nei tessuti biologici,mediamente,è

1540 m/sec

La velocità di propagazione di un’onda dipende dal mezzo attraversato


Tessuto Densità(Kg/m3)

Impedenza(Kg/m2s)

Velocità (m/sec)

Aria 1,2 0,0004 330Grasso 920 1,38 1460Acqua 1000 1,48 1480Sangue 1060 1,61 1560Rene 1040 1,62 1565Fegato 1060 1,65 1555Muscolo 1070 1,70 1600Tessuto osseo medio 1810 7,38 4100

GLI ULTRASUONI


Ogni mezzo ha una propria “rappresentazione ecografica";l’interfaccia acustica è il limite

fra due mezzi (tessuti) con differente impedenza acustica

Sul monitor ecografico le immagini sono determinate

dall’interazione degli US con le diverse strutture anatomiche.

.

INTERFACCIA


Onda Incidente

Onda Riflessa

Onda Rifratta

Nelle regioni con diverse caratteristiche fisiche cambia la velocità di propagazione, e l’onda viene RIFRATTA,

modificando la λ e la direzione di propagazione


Ogni interfaccia produce un’eco per riflessione. Il tempo di ricezione permette di localizzarel’interfaccia, ossia di stimare la sua distanza dalla sonda.

DAL TEMPO DI ARRIVODELL’ECO SI RISALEALLA DISTANZA DELLA STRUTTURA RIFLETTENTE.

Come si forma l’immagine?Consideriamo un fascio ultrasonoro che incide su di una Interfaccia ….



Il trasduttore ecografico trasmette e raccoglie gli echi di ritorno dai tessuti, che sono dovuti ai seguenti fenomeni fisici:

- RIFLESSIONE da macrointerfacce

- DIFFUSIONE E/O DIFFRAZIONE da microinterfacce

Gli echi di riflessione hanno intensità molto maggiori, specialmente quando l’incidenza del fascio è perpendicolare (speculare).

In origine una tecnica ecografica visualizzava i soli echi di riflessione.

Successivamente, la possibilità di comprimere il segnale ha permesso l’elaborazione anche degli echi da diffusione.

Riflessione e trasmissione nell’immagine eco


Le interfacce tra particelle di diversa impedenza acustica, determinano:

Diffrazione

Deviazione di un'onda ai margini di un ostacolo opaco; l'effetto diventa importante quando le dimensioni dell'ostacolo sono poco diverse dalla lunghezza d'onda della radiazione

La risposta non lineare


La diffusione o scattering si manifesta in presenza di particelle inferiori a circa 500 micron.

La risposta non lineare


I tessuti presentano superfici di interfaccia complesse e di dimensioni inferiori a quelle della lunghezza d’onda per cui:

• Oltre alla riflessione principale, vi saranno multipli piccoli echi riflessi secondo multipli angoli;

• La maggior parte di questi echi non ritorna verso la sonda e, quindi, non viene registrata;

• La piccola parte che torna verso a sonda (backscattering), è importante, permettendo in alcune situazioni la visualizzazione del sangue ed essendo all’origine dell’effetto Doppler.

INTERFACCIA COMPLESSA


IL BACKSCATTERING

(f 2.5-10 MHz) λ = 600 - 150 µm∅ Emazie = 12 µm


Le Frequenze armoniche sono le frequenze il cui valore è multiplo intero della frequenza base (frequenza fondamentale) di un'onda.

Le armoniche

http://it.wikipedia.org/wiki/Frequenza

http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Frequenza_fondamentale&action=edit&redlink=1

http://it.wikipedia.org/wiki/Onda_(fisica)


Le armoniche


• La qualità dell’immagine in ecocardiografia ha avuto un drastico miglioramento con l’impiego della 2° armonica tissutale (HTI)

ARMONICA • Per armoniche si intendono le frequenze

multiple della frequenza di base (FONDAMENTALE):

• 2° armonica = freq doppia • 3° arm freq tripla, ecc

LA 2a ARMONICA TISSUTALE (HTI)


• la sonda con trasduttore con 2°armonica trasmette il segnale ad una frequenza (1.8 MHz, 2.1) e la riceve al doppio (3.6, 4,2) MHz

• migliora notevolmente la qualità delle immagini rispetto alla convenzionale aumentando il potere di risoluzione, anche in soggetti “difficili”

• riduce del 30-50% il numero dei segmenti non interpretabili particolarmente a livello della punta, parete laterale, anteriore

LA 2° ARMONICA TISSUTALE


LA 2° ARMONICA TISSUTALE• Una corretta identificazione dei bordi dell’endocardio è il pre-requisito

fondamentale per una adeguata valutazione delle immagini ecocardiografiche

• Per anni non sempre è stato possibile, penalizzando notevolmente i dati soprattutto della cinesi regionale, della FE, masse, (“limitazioni tecniche” “ALTA IMPEDENZA ACUSTICA” “esame inadeguato”, “enfisema”, “obesità”,ecc)

• La scoperta dell’imaging in 2°armonica (HTI) ha offerto importanti miglioramenti dell’imaging ecocardiografico

• Oggi con l’HTI è possibile effettuare l’ecocardiogramma in tutti i pazienti anche in situazioni più difficili (terapie intensive, Chest pain Unit, ranomazione, politraumatizzati, interventi toraco-polmonari, ecc) in condizioni basali, sotto stress farmacologico, nelle situazioni di emergenza in cui non si ha molto tempo a disposizione e la diagnosi deve essere tempestiva e precisa.


Vantaggi:

1. Buona penetranza (bassa frequenza di trasmissione)2. Migliore risoluzione (alta frequenza di riflessione)3. Ridotta distorsione nel campo vicino (la formazione di

armoniche dipende dalla distorsione, maggiore in profondità)4. Ridotto effetto pioggia nel campo vicino (nelle riflessioni

multiple della cute e sottocute si perde molta energia e non si generano armoniche)

5. Riduzione dei lobi laterali

La seconda armonica




2 ARMONICA TISSUTALEFONDAMENTALE CON 2 ARMONICA



• riduce la variabilita’ intra e inter-osservatori• incrementa il numero di pazieni “elegibili” all’ecostress• INCREMENTA L’ACCURATEZZA DIAGNOSTICA

Vari studi hanno confrontato l’imaging armonico con il “fondamentale”, dimostrando che anche in pazienti con finestra acustica difficile gli indici di visualizzazione dell’endocardio erano significativamente migliori per l’imaging armonico in tutte le finestre utilizzate

Skolnick DG, Sawada SG, Feiggenbaum H JASE 1999;12:559-563 Rodriguez O Cardiologia 1999 ;44:451-454

Nixdorff U Eur J Echocardiogr 2001; 2:52-61Sozzi J 2001; Heart 86:672-78

2° ARMONICA TISSUTALE


2A ARMONICA TISSUTALE: ECOSTRESS


Svantaggi:

1. Ridotta risoluzione assiale

Perché il segnale trasmesso non contenga armoniche, l’impulso trasmesso deve essere prolungato, ma

prolungando la durata dell’impulso aumenta l’ambiguità spaziale, nella direzione assale

La seconda armonica


L’utilizzo degli US è reso possibile dall’esistenza di particolari cristalli che hanno la proprietà di deformarsi e emettere

ultrasuoni se sottoposti a impulsi elettrici e inversamente di deformarsi ed emettere impulsi elettrici una volta che siano

raggiunti da ultrasuoni.

Si usano a questo scopo i CRISTALLI PIEZOELETTRICI (quarzo,..):

Come si forma l’immagine ecocardiografica


IL FENOMENO PIEZOELETTRICO ...

Non potremmo ottenere ultrasuoni se non esistesse il fenomeno piezoelettrico.

Tale fenomeno è la conversione di energia meccanica in elettrica e viceversa.

I cristalli hanno la proprietà di 1. deformarsi ed emettere ultrasuoni se sottoposti ad impulsi elettrici e inversamente2. deformarsi ed emettere impulsi elettrici quando raggiunti da ultrasuoni


IL FENOMENO PIEZOELETTRICO ...

B. Sottoponendo ad una pressione meccanica un cristallo di quarzo si genera un impulso elettrico(effetto piezoelettrico) proporzionale alla pressione esercitata

C. Applicando un impulso elettrico allo stesso cristallo di quarzo si produce una deformazionemeccanica che genera un’onda acustica (effetto piezoelettrico inverso) proporzionaleall’ampiezza dell’impulso ed alle caratteristiche del cristallo

L’utilizzo degli us è reso possibile dall’esistenza di particolari cristalli che hanno la proprietà di deformarsi e emettere ultrasuoni se sottoposti a impulsi elettrici e inversamente di deformarsi ed emettere impusli elettrici una volta che siano raggiunti da ultrasuoni.


All’interno della sonda si verifica l’effetto piezoelettrico: un cristallo di quarzo si comporta da dipolo (quando investito da una corrente elettrica emette US e quando riceve echi li trasforma in impulsi elettrici).•monocristallo (M mode) o + cristalli (B mode)

La sonda o trasduttore è il “cuore” dell’ecografo; essa emette US e riceve echi riflessi.

Sonde ecografiche


La risoluzione È la minima distanza tra due strutture in grado di produrre echi distinguibili

..• Capacità di distinguere

strutture disposte lungo l’asse del fascio ultrasonoro;

• Dipende dalla lunghezza d’onda, ovvero dalla frequenza rispetto alla quale è in relazione diretta.

assiale


La risoluzione laterale

..

Dipende dalle dimensioni e dalla forma del fascio acustico; tantopiù largo è il fascio acustico tanto peggiore è la risoluzionelaterale

capacità di distinguere due punti adiacenti posti sullo stesso piano


L’eco che viene ricevuto può essere codificato tramite:• la sua Ampiezza (A-MODE)

oppure• posizionando alla distanza da cui si è ricevuta l’eco un punto di ‘brillanza’ proporzionale all’ampiezza (B-MODE).

L'IMMAGINE


B-mode

Una superficie posta alla profondità di 1 cm genera un’eco che viene ricevuto 13 µs dopo l’emissione.


A-mode, B-mode, M-mode

Nella modalità A mode i singoli echi appaiono come spike allineati uno dietro all’altro. L’ampiezza in senso orizzontale è proporzionale alla intensità dell’eco riflesso, la distanza in verticale dipende dalla profondità della struttura studiataM= motion è in funzione del tempo


FRAME RATE



Scala dei grigi

Alta compressione scala dei grigi

Bassa compressione scala dei grigi


GAIN o GUADAGNO

Rappresenta l’ amplificazione

degli echi di ritorno

Gain Generale Gain Settoriale

IL GAIN


Per consentire la ricezione di echi provenienti da interfacce profonde si amplifica l’intensità in modo proporzionale alla distanza, modificando il guadagno in sensoinverso alla curva di attenuazione.

GUADAGNO


Con la regolazione del TGC è possibile modularela rappresentazione ecografica delle strutture chesi trovano ad una determinata profondità.Oltre al settaggio della macchina è permessa unaregolazione dell’ operatore, che però può portarealla cancellazione di echi significativi o, alcontrario, alla comparsa di artefatti e riverberi.

REGOLAZIONE DEL TGC

TIME GAIN compensation


TIME GAIN compensation


Errori comuni il gain


Errato gain totale


Artefatti immagine 2D


Cono d’ombra posteriore


Riverberi posteriori

Parete aortica posteriore

Doppio segnale


Riverberi posteriori


FRAME RATECOMBINAZIONE ERRATA REGOLAZIONE E CREAZIONE DI ARTEFATTI ….


è preferibile impiegare il minor guadagnopossibile per ridurre gli artefatti (rapportosegnale-rumore).

contenere il campo di vista per lamigliore definizione delle immagini.

REGOLE GENERALI


SEMEIOTICA ECOGRAFICA

Posteriore

Anteriore

Sx Paz. Dx

Paz.Orientamento dell’ immagine


SI echi di ritorno(riflettono)

SOLIDI

LIQUIDI

NO echi di ritorno ANECOGENI

ECOGENI

RAPPRESENTAZIONE DELL’ IMMAGINE


Rappresentazione dell’immagine

TERMINOLOGIA ECOGRAFICA

Anecogeno

Isoecogeno Iperecogeno

Ipoecogeno


OBIETTIVIConoscenze

1.1 Principi fisici e terminologia

1.2 Propagazione degli ultrasuoni nei tessuti

1.3 Ecografia cardiovascolare monodimensionale, bidimensionale: dal segnale ultrasonoro alla formazione dell’immagine. Risoluzione spaziale e temporale. Corretto utilizzo del frame rate, angolo, profondità. Imaging in seconda armonica

1.4 Dinamica dei fluidi e principi di ecografia Doppler, color Doppler e Doppler tissutale. Analisi e misurazione delle curve Doppler

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