ORIGINE DEGLI ULTRASUONI
• Gli ultrasuoni o ultrasonografia è una tecnica medica di
imaging che usa le onde sonore e gli echi da esse
prodotte
• La tecnica è molto simile a quella che usano in natura i
delfini e i pipistrelli per localizzare gli ostacoli o le prede
(Spallanzani 1794)
• Nella nautica è denominata SONAR (Sound Navigation
And Ranging)
ORIGINE DEL SUONO
• Le onde sonore sono onde meccaniche che si formano
per il trasferimento di energia generata dalle oscillazioni
(compressioni e decompressioni) di un mezzo che viene
perturbato.
• Il suono per viaggiare ha bisogno della presenza di un
mezzo e la propagazione dell’onda potrà avvenire in
modo longitudinale o trasversale.
Un’onda è un’oscillazione caratterizzata da:
LUNGHEZZA - AMPIEZZA - FREQUENZA
COSA SONO GLI ULTRASUONI
Gli US sono onde sonore ad altissima frequenza > 20.000 Hz
Molti animali (cane) possono udire suoni con frequenza fino a
100.000 Hz
L’orecchio umano ha invece una percezione da 20-20.000 Hz
Frequenza voce maschile 100 Hz e femminile 200 Hz
COSA SONO GLI ULTRASUONI
•Gli ultrasuoni utilizzati in diagnostica per immagini,
presentano frequenze elevatissime (nell’ordine di
milioni di Hertz) e di conseguenza hanno lunghezza
d’onda cortissima (frazioni di millimetro).
•Questo, rappresenta il principale requisito per il
potere di risoluzione spaziale della tecnica.
•Pertanto, maggiore è la frequenza, minore è la
lunghezza d’onda e maggiore è la risoluzione
spaziale dell’immagine ottenibile.
Lunghezze d’onda di ultrasuoni di diversa frequenza
LE SONDE ECOGRAFICHE
I cristalli piezoelettrici della sonda, vibrano quando sottoposti a
tensione elettrica (Fratelli Pierre e Jacques Curie – 1880)
I cristalli posti in un campo elettrico si deformano per l’orientamento
delle cariche delle molecole a 90°. Cessata la tensione elettrica i
cristalli riprendono rapidamente la forma iniziale.
Questo repentino ritorno elastico fa entrare in risonanza i cristalli,
determinando una piccola serie di vibrazioni che generano gli
ultrasuoni
COSA SONO GLI ULTRASUONI
Gli ultrasuoni emessi dalla sonda, attraversano i tessuti con una velocità e con
un’impedenza che sarà caratteristica di ogni tessuto.
Durante l’attraversamento delle varie strutture tissutali, l’energia posseduta
dall’ultrasuono, viene progressivamente attenuata dai tessuti stessi.
Pertanto l’attenuazione si verifica principalmente per:
–
RIFLESSIONE
–
TRASMISSIONE
–
RIFRAZIONE
INTERAZIONI ULTRASUONI - MATERIA
Durante l’attraversamento dei tessuti l’ultrasuono viene attenuato per:
• RIFLESSIONE
• TRASMISSIONE
• RIFRAZIONE
La Riflessione avviene con un angolo che sarà equivalente a quello incidente
dell’ultrasuono
Gli ultrasuoni residui o non riflessi proseguiranno il loro percorso nei tessuti con
un’intensità ridotta (Trasmissione) e con angolo leggermente modificato
(Rifrazione)
L’IMMAGINE ECOGRAFICA
Riflessione e Rifrazione
Mezzo 1
Mezzo 2
Z1
Z2
Onda RIFLESSA
Onda RIFRATTA
r
Onda INCIDENTE
Z = Impedenza Acustica
Z1-Z2 Interfaccia
Sonda
Interfaccia
INTERAZIONI ULTRASUONI - MATERIA
L'attenuazione del fascio ultrasonoro avviene secondo la relazione:
1dB (deciBel)/cm/MHz
Per cui l’attenuazione aumenta all'aumentare del percorso e all'aumentare
della frequenza
Quindi più è alta la frequenza più è superficiale il campo di vista e viceversa
Da ciò consegue che la frequenza determina anche la QUALITA’ della
immagine ecografica
FREQUENZA – RISOLUZIONE – PROFONDITA’
•Con trasduttori da 12 Mhz si ha un’ottima risoluzione, ma non si può
avere una penetrazione in profondità
•Con trasduttori da 3,5 Mhz si ha una buona penetrazione ma la
risoluzione non è ottimale
CRISTALLI PIEZOELETTRICI
•Lo spessore del cristallo determina la frequenza di scansione
3,5 Mhz
12 Mhz
INTERAZIONI ULTRASUONI - MATERIA
La riflessione e la diffusione degli US, avviene in corrispondenza dei punti in cui si ha
il passaggio tra due tessuti con diversa impedenza (es: cute e sottocute)
Un ultrasuono con intensità ridotta prosegue il suo cammino verso le strutture più
profonde per trasmissione e rifrazione.
Maggiore è la differenza di impedenza acustica, maggiore sarà la riflessione
Tra le interfaccie dei tessuti molli e tessuto osseo
o parenchima polmonare, gli ultrasuoni vengono quasi
completamente riflessi e quindi, attenuati
PROPAGAZIONE DEGLI ULTRASUONI
La velocità di propagazione di un’onda sonora, dipende dalla densità atomica
e dalle proprietà elastiche del mezzo che attraversa
Il Suono si propaga meglio e più velocemente nei liquidi piuttosto che nell’aria
E’ detta IMPEDENZA ACUSTICA la resistenza al passaggio di un ultrasuono
attraverso un mezzo
L’unità di misura dell’impedenza è il Rayl ed è direttamente proporzionale alla
densità del materiale attraversato
Z=XC
Z = Impedenza acustica
X = densità (g/cm3)
C = velocità del suono nel mezzo insonato (m/sec)
PROPAGAZIONE DEGLI ULTRASUONI
Velocità degli ultrasuoni
utilizzata negli ecografi
ULTRASUONI E FORMAZIONE DEGLI ECHI
•La sonda trasmette ‘pacchetti’ di ultrasuoni (solitamente 2 o 3 cicli) per l’1% del
tempo (circa 1-2 milionesimi di secondo); per il restante 99% (100-200
milionesimi di secondo), la sonda resta in ‘ascolto’ degli echi di ritorno
•Gli echi di ritorno, fanno entrare in risonanza i cristalli piezoelettrici
determinando la produzione di un segnale elettrico
•Gli echi vengono disposti nella matrice dell’immagine, tenendo in
considerazione il ritardo con cui arrivano alla sonda
•L’attenuazione degli ultrasuoni nei tessuti, fa si che gli echi provenienti da
strutture distali saranno meno intensi di quelli provenienti da strutture simili ma più
prossimali
•T.G.C. (Time Gain Compensation)
MODALITA’ DI VISUALIZZAZIONE
1.A-mode (Amplitude mode)
2.B-mode (Brightness mode)
3.B-mode Real Time (B-mode Dinamica)
4.M-mode o TM-mode (Motion o Time Motion mode
5.3D/4D Real Time
A – MODE
L’A-mode (Amplitude = ampiezza) è la prima modalità di visualizzazione di un
eco ed era adottata, ad esempio, dai SONAR
E’ la modalità monodimensionale: l’eco è rappresentato con dei picchi che
modificano una linea su un oscilloscopio
L’ampiezza dei picchi è proporzionale all’intensità dell’eco, mentre la
profondità è proporzionale alla distanza delle interfacce che hanno generato
l’eco
Rappresentazione schematica dell’A-mode
applicato all'esame del globo oculare
B- MODE
B (Brightness = luminosità) la visualizzazione è monodimensionale
Gli echi vengono rappresentati in sequenza lungo una linea a seconda della
loro distanza dalla sorgente
L’intensità viene presentata in scala di grigi: il bianco (iperecogeno es: calcoli)
corrisponde al massimo dell’intensità mentre il nero all’assenza di echi (liquido)
Rappresentazione schematica del
B-mode applicato all'esame del globo oculare
B- MODE Real-Time
Il B-mode Real Time è l’evoluzione del B-mode.
La singola linea di scansioni è affiancata a molte altre così da formare un
‘Pennello’ che fornirà immagini bidimensionali di sezioni di un organo o di un
tessuto (immagine di tipo tomografico).
Gli echi dei singoli fasci arrivano ai cristalli della sonda con una sequenza
temporizzata, così da fornire il ‘Frame’.
Negli ecografi moderni il segnale
analogico degli echi viene convertito in segnale
digitale prima di formare l’immagine
3D/4D Real Time
Il 3D con la variabile tempo diventa un 4D
L’acquisizione tridimensionale avviene con una sonda dedicata grazie ad un
motorino meccanico che fa oscillare i cristalli che acquisiscono il volume
dell’immagine. Il volume da studiare viene acquisito e digitalizzato in frazioni di
sec.
Viene usato principalmente in Ost/Gin, Coloproctologia e per lo studio del
Pavimento Pelvico con sonde transrettali dedicate
IL FASCIO ULTRASONORO
I fasci ultrasonori descritti come un pennello, tendono ad allargarsi poco dopo
essere fuoriusciti dalla sonda.
I fasci restano paralleli fra loro solo per un breve tratto: il fascio resta ‘Coerente’
cioè con diametro pari a quello del cristallo
Il tratto nel quale il fascio è coerente viene detto ‘Zona di Fresnel’
Il tratto successivo , ‘Zona di Fraunhofner’.
Il punto di passaggio tra le due zone rappresenta la zona focale del fascio di
ultrasuoni
La focalizzazione nelle moderne sonde elettroniche avviene mediante ‘Lenti
Acustiche’ che permettono di ottenere più di un punto di focalizzazione a
profondità variabili
CARATTERISTICHE DEL FASCIO
Il fascio ultrasonoro emesso dalla sonda ha 3 dimensioni:
•Assiale (Y, profondità)
•Laterale (X, larghezza)
•Altezza (Z, spessore)
La profondità dipende dalla frequenza
La larghezza e lo spessore dipendono dalle dimensioni del cristallo
emettitore
LA RISOLUZIONE SPAZIALE
La Risoluzione Spaziale è la capacità di distinguere come separati due
oggetti molto vicini e dipende dalla:
1.Risoluzione Assiale (lungo l’asse del fascio: Y)
2.Risoluzione Laterale (lungo i piani perpendicolari al fascio: X e Z)
LA RISOLUZIONE ASSIALE
•La Risoluzione Assiale è data dalla capacità di distinguere due punti
lungo l’asse Y del fascio ultrasonoro.
•Questo tipo di risoluzione dipende dalla frequenza degli ultrasuoni:
più la frequenza è elevata, minore sarà la lunghezza d’onda e quindi,
maggiore la risoluzione assiale (ma minore sarà la penetrazione)
Sonda
LA RISOLUZIONE LATERALE
•La Risoluzione Laterale definisce la capacità di distinguere come
separati due punti posti nel piano X e Z del fascio ultrasonoro.
•Come abbiamo detto, essa dipende dalle dimensioni dei cristalli
piezoelettrici
Sonda
REGOLAZIONE IMMAGINE ECOGRAFICA
1.L’illuminazione in ambulatorio deve essere bassa il più possibile,
altrimenti si è costretti ad alzare il guadagno B-mode facendo saturare
l’immagine e portando rumore di fondo.
2.Il paziente deve essere completamente disteso, il lettino deve essere il
più possibile orizzontale e per una migliore visualizzazione dei reni e della
vescica, lo schienale non deve essere sollevato.
3.Nell’ecografia renale, il paziente deve collaborare il più possibile
trattenendo il respiro quando richiesto.
4.Controllare il ‘repere’ della sonda posando un dito su un angolo della
stessa per trovare la corrispondenza con l’immagine sul monitor.
5.Regolare i TGC con una curva che consenta di avere più segnale in
profondità, soprattutto su pazienti robusti e tenere il guadagno
generale non molto alto, per visualizzare meglio i profili delle strutture.
6.Nella visualizzazione della vescica regolare i TGC abbassando il
segnale nelle zone più profonde, per visualizzare meglio la parete
posteriore, attenuando così l’immagine iperecogena tipica dietro alla
vescica.
Tecnologia delle sonde
Tecnologia sonde
Scansione meccanica “anulare”:
• L’immagine viene ricostruita mediante il
movimento meccanico di un gruppo di
cristalli concentrici
• Questa tecnologia ottimizza la
focalizzazione nel campo di vista vicino o
lontano a seconda degli anelli di cristalli
utilizzati
Sonda 3D proctologia/Pav. Pelvico
Tecnologia sonde
Lineare Elettronica
Focalizzazione ottimizzata in
superficie; in profondità invece,
inferiore ad altri trasduttori
Campo di vista limitato dalle
dimensioni del trasduttore
Nelle nuove sonde possibilità
della funzione trapezoidale
Tecnologia sonde
Convex
Elettronica
Risoluzione a livello B-mode dipendente
dal raggio di curvatura
Focalizzazione in profondità superiore al
trasduttore lineare
Campo di vista superiore al trasduttore
lineare in quanto consente una
panoramicità maggiore
Tecnologia sonde
Microconvex Elettronica Endfire
Il campo di vista
dipendente dal raggio di
curvatura, più il raggio è
piccolo, maggiore è il
campo di vista.
Sonde Endocavitarie
Microconvex Elettronica Bi-Triplana
Lineare/Convex
Transperineale/Brachiterapia
Convex/convex
Convex/Convex + Endfire
Tecnologia sonde
Phased Array Elettronica
Risoluzione a livello B-mode
inferiore ai precedenti
Focalizzazione in profondità
superiore ai trasduttori precedenti
Campo di vista superiore ai
trasduttori precedenti nonostante la
superficie di appoggio sia inferiore
ai precedenti
Cardiologia e Doppler Transcranico
Tecnologia sonde Intraoperatorie
Sonda Laparoscopica a 4 vie 360°
Sonda a ‘J’ per chirurgia open
con canale bioptico
Sonda Robotica Drop-in per sistema Da Vinci
Sonda Endorettale 3D per sistema Da Vinci
Grazie
