Artefatti. Artefatti degli Ultrasuoni

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1 Artefatti degli Ultrasuoni Corso Basico di Ecocardiografia per Specializzandi Leonida Compostella Scuola di Specializzazione in Cardiologia Università di Padova Artefatti Monna Lisa con qualche artefatto È ancora Monna Lisa?

2 Artefatti - 1 Artefatto: Ogni parte di una immagine che non rappresenta con accuratezza la struttura anatomica in corso di osservazione. Vari artefatti possono essere presenti contemporaneamente in uno stesso esame. Gli artefatti possono comparire per: 1- malfunzionamento tecnico (o scarsa qualità) dello strumento 2- errori dell operatore 3- violazione degli assunti di funzionamento dell ecografo (v. oltre) Artefatti - 2 In Ecocardiografia, gli artefatti possono: - far apparire una immagine di una struttura che non è presente anatomicamente - non evidenziare una struttura presente anatomicamente - evidenziare una struttura effettivamente presente, ma: - localizzandola in posizione diversa da quella anatomica - alterandone le dimensioni - alterandone la rifrangenza Gli artefatti pertanto interferiscono con una corretta interpretazione delle immagini. Conoscendo i principi fisici che spiegano la comparsa di artefatti, questi possono essere minimizzati.

3 Assunti dell Ecografo -1 Nel suo funzionamento, un Ecocardiografo si basa su una serie di assunti, sulla base dei quali assegna a ciascun eco ricevuto una localizzazione e una intensità: 1- il fascio ultrasonoro viaggia in linea retta dal trasduttore fino all oggetto; analogamente viaggia in linea retta il fascio ultrasonoro riflesso 2- gli echi ricevuti originano unicamente dal fascio ultrasonoro principale 3- l eco ritorna al trasduttore in seguito ad una unica riflessione 4- tutti gli echi riflessi ricevuti dal trasduttore originano dall ultimo treno d impulsi inviato 5- quando un oggetto viene esplorato lungo una unica linea di scansione da luogo ad un unico eco riflesso Assunti dell Ecografo l ampiezza dell eco riflesso è proporzionale alle caratteristiche dell oggetto esplorato e alle sue proprietà di ecoriflettenza 7- la velocità degli ultrasuoni nei tessuti umani è costante (1540 m/s) 8- la profondità di un oggetto è direttamente correlata al tempo impiegato dall ultrasuono a percorrere la distanza trasduttore oggetto trasduttore 9- l energia acustica viene attenuata in modo uniforme lungo tutto il campo esplorato 10- le dimensioni del fascio ultrasonoro sono piccole in entrambe le direzioni (cioè sia in senso verticale = spessore, che in senso laterale) È chiaro come queste premesse siano per lo più disattese nella pratica clinica.

4 Origine degli artefatti Errori inerenti a: 1- caratteristiche del fascio ultrasonoro lobo laterale larghezza del fascio ultrasonoro spessore del fascio ultrasonoro 2- presenza di riflessioni multiple degli echi di ritorno riverbero immagine riflessa 3- errori di calcolo di velocità dell ultrasuono dislocazione rifrazione 4- errori legati a fenomeni di attenuazione cono d ombra rinforzo di parete posteriore Caratteristiche del fascio ultrasonoro Lobo laterale rasound/#ultrasound Diagramma di un fascio ultrasonoro (da Feldman MK et al. RadioGraphics 2009). Il fascio ultrasonoro principale si stringe man mano che si avvicina alla zona focale; più in là diverge. I lobi laterali sono forme di energia (comunque di bassa intensità) fuori dall asse principale. I grating lobes (lobi da griglia) sono dovuti allo spazio (di modesta entità e regolare) che esiste fra i singoli elementi piezoelettrici e quindi fra i singoli fascetti ultrasonori che compongono il fascio emesso dal trasduttore; sono il risultato della somma dei lobi laterali provenienti dai singoli cristalli.

5 Caratteristiche del fascio ultrasonoro Lobo laterale - 2 Lobo laterale (Side Lobe) È un artefatto prodotto dai lobi laterali e dai grating lobes del fascio ultrasonoro quando incontrano un oggetto fortemente riflettente: questo oggetto, situato al di fuori del fascio ultrasonoro principale, può generare echi quando colpito dai lobi laterali del fascio di ultrasuoni. Tali echi possono essere riconosciuti dal trasduttore ed erroneamente interpretati come echi provenienti dal fascio ultrasonoro principale. Si presenta come una falsa struttura nel campo di scansione. Caratteristiche del fascio ultrasonoro Lobo laterale - 2 Siccome il fascio ultrasonoro principale si muove nel campo di scansione assieme ai lobi laterali, ciascun eco prodotto dall oggetto riflettente sia nel fascio principale che nei lobi laterali genererà una falsa immagine all interno dell immagine prodotta dal fascio principale.

6 Caratteristiche del fascio ultrasonoro Lobo laterale - 3 Il risultato sarà un eco strisciato su gran parte dell area di scansione. Il problema dei lobi laterali viene minimizzato dalle nuove tecnologie costruttive dei trasduttori (cristalli più piccoli attivati a gruppi; minore potenza di attivazione dei cristalli laterali e maggiore nei cristalli centrali). Caratteristiche del fascio ultrasonoro Lobo laterale - 4 I lobi laterali originati dal punto di coaptazione delle cuspidi aortiche si vedono estendersi sia verso la cavità ventricolare sinistra che verso il lume della radice aortica (frecce). A differenza dei riverberi (v. oltre), i lobi laterali si muovono assieme alla struttura che li genera e possono modificarsi. (In questo caso, l intensità degli echi prodotti dalla linea di fusione decresce quando la valvola si apre; in parallelo, si riduce anche l intensità dei lobi laterali).

7 Caratteristiche del fascio ultrasonoro Larghezza del fascio u.s. Artefatto da larghezza del fascio ultrasonoro. Il software dell ecografo assume che la sezione ottenuta dal fascio US sia quella indicata dalla linea a puntini; in realtà per la convergenza e divergenza degli US in rapporto al punto focale la sezione effettuata è quella indicata dalle linee continue. In (a) un oggetto (il cerchio grigio) si trova fuori dall oggetto quadrato; poiché però si trova all interno del fascio US nella zona in cui questo diverge (zona di Fraunhofer), viene presentato sullo schermo dell ecografo (b) come all interno dell oggetto quadrato. Se noi aggiustiamo adeguatamente il fuoco del fascio US, facendo corrispondere il fuoco alla zona dell oggetto quadrato (c), il cerchio grigio si troverà completamente al di fuori del fascio US e non verrà quindi identificato (d). (da Feldman MK et al. RadioGraphics 2009) Caratteristiche del fascio ultrasonoro Spessore del fascio u.s. Artefatto da spessore del fascio ultrasonoro. Il software dell ecografo assume che il fascio emesso abbia spessore tendente allo zero e rappresenta come immagine bidimensionale la scansione ottenuta con un ventaglio di ultrasuoni che però non ha affatto spessore zero, ma in effetti ha uno spessore non trascurabile (v. Lezione 05 - I Trasduttori). Alcuni echi provenienti dalla periferia della sezione spessa vengono perciò riportati sull immagine in prossimità ad altri echi ottenuti dalle porzioni più centrali del fascio ultrasonoro, creando quindi sovrapposizione di immagini. Un esempio di questo sono gli echi che spesso si osservano a livello delle pareti cardiache in eco-2d e che rendono talora difficile una identificazione corretta della superficie endocardica.

8 Riflessioni multiple Riverbero - 1 Riverbero Si tratta di riflessi artefatti, che avvengono quando il fascio ultrasonoro colpisce strutture altamente rifrangenti (come ad es. protesi valvolari meccaniche) e viene riflesso avanti e indietro fra la struttura e il trasduttore, o fra due interfacce della stessa struttura. Riverberi sono sempre presenti nella parte apicale della sezione di immagine che osserviamo nello schermo dell ecografo, in quanto gli ultrasuoni vengono fortemente riflessi dagli strati superficiali del torace; l onda riflessa ritorna al trasduttore, dalla superficie del quale viene nuovamente riflessa verso la superficie del torace, e così via in modo ripetitivo. Questi riverberi possono talora creare il dubbio della presenza di una massa (trombo) presso l apice cardiaco. Riflessioni multiple Riverbero - 2 In presenza di due strutture parallele e altamente ecoriflettenti, come possono essere i supporti di una protesi valvolare cardiaca, gli US possono essere ripetutamente riflessi indietro e avanti (effetto ping-pong, riverbero) prima di tornare al trasduttore (a). L eco che ritorna al trasduttore dopo una riflessione singola viene rappresentato ad una determinata distanza dalla superficie del torace, avendo impiegato un certo tempo a percorrere la strada trasduttore struttura trasduttore. Gli echi che tornano successivamente, ad intervalli di tempo maggiori e multipli tra di loro, verranno interpretati dal software dell ecografo come fossero provenienti da profondità maggiori; questi echi fantasma saranno pertanto rappresentati (b): - a profondità maggiori, - come echi multipli equidistanti fra di loro - di intensità decrescente. (da Feldman MK et al. RadioGraphics 2009)

9 Riflessioni multiple Immagine riflessa - 1 Immagine riflessa (Mirroring) Avviene quando l energia ultrasonora viene riflessa da strutture particolarmente ecodense (es. diaframma) e viene rappresentata sullo schermo dell ecografo come una doppia immagine (una speculare dell altra). Riflessioni multiple Immagine riflessa - 2 È generata dal falso assunto che un eco ritorni al trasduttore dopo una singola riflessione. Immaginiamo ora una struttura (es. il cuore) posta in vicinanza ad un altra struttura più profonda, altamente ecorifrangente (es. il diaframma). Una parte degli ultrasuoni raggiunge il cuore e viene normalmente riflessa generando l immagine attesa (fig. a, frecce grige). Un altra parte del fascio US raggiunge il diaframma (fig. a, frecce nere), viene riflessa da questo, ma nella sua strada di ritorno verso il trasduttore incontra la superficie posteriore del cuore, dalla quale viene nuovamente riflessa all indietro verso il diaframma. Questo la re-riflette e finalmente l eco raggiunge il trasduttore, in ritardo, venendo quindi rappresentato sullo schermo dell ecografo (fig. b) come una seconda immagine, più profonda (a causa del ritardo) e speculare alla prima (a causa della doppia riflessione subita dall eco). (da Feldman MK et al. RadioGraphics 2009)

10 Velocità diverse degli ultrasuoni Dislocazione Il software dell ecografo assume che gli US viaggino nel nostro corpo a velocità costante; dispone pertanto sullo schermo ogni eco di ritorno in una posizione correlata con il tempo impiegato a compiere il viaggio di andata e ritorno dal trasduttore alla struttura ecogena. È però già stato descritto come invece le velocità siano anche significativamente diverse fra i vari tessuti, per es. fra tessuto muscolare e grasso. Nello schema a lato (a), le frecce grige rappresentano il percorso normale degli echi riflessi dalla struttura in analisi. Sullo schermo dell ecografo (b), tali strutture vengono rappresentate correttamente. Le frecce tratteggiate rappresentano invece un fascio ultrasonoro che, nel suo percorso, dopo una zona muscolare incontra una zona di grasso, seguita nuovamente da una parte muscolare. La minore velocità con cui gli US attraversano il grasso fa sì che l eco prodotto dalla parete posteriore della struttura in analisi ritorni al trasduttore con un certo ritardo. Il software dell ecografo dislocherà quindi tale tratto di parete in una posizione più posteriore, dando quindi luogo ad una superficie apparentemente spezzata. (da Feldman MK et al. RadioGraphics 2009) Velocità diverse degli ultrasuoni Rifrazione Quando il fascio ultrasonoro colpisce con un angolazione non perpendicolare due tessuti adiacenti, differenti per densità acustica e per proprietà elastica, la direzione del fascio di US viene modificata in dipendenza sia dell angolo di incidenza sia della differente velocità degli US nei due tessuti. Ne risulta una distorsione dell immagine dovuta al fenomeno della rifrazione. Purtroppo, il software dell ecografo presuppone che gli US viaggino in linea retta e rappresenta sullo schermo gli echi refratti di ritorno in una posizione diversa, spostata di lato rispetto alla posizione in cui si trova realmente la struttura in esame. È un fenomeno simile a quello che avviene quando osserviamo (da un punto di osservazione non perpendicolare alla superficie) un oggetto immerso in una bacinella d acqua. Nella figura (a), un fascio di US attraversa un primo oggetto (rettangolo); più in profondità, il fascio di US cambia direzione a causa della rifrazione che subisce nel passaggio ad un tessuto con differente densità acustica. Nel secondo tessuto incontra un secondo oggetto (cerchio), che sullo schermo dell ecografo (b) viene però rappresentato in posizione diversa da quella reale. (da Feldman MK et al. RadioGraphics 2009)

11 Fenomeni di attenuazione Cono d Ombrad Cono d ombra (Shadowing) Perdita di informazione riguardo alle strutture che si trovano al di sotto di un oggetto fortemente riflettente o fortemente attenuante. È causata dal fatto che l oggetto riflette (o rifrange, o attenua) la maggior parte delle onde ultrasonore; i pochi ultrasuoni che riescono ad oltrepassare tale oggetto non sono in quantità tale da permettere una adeguata visualizzazione delle strutture sottostanti. Questo fenomeno succede, per esempio, a carico delle strutture che stanno dietro a protesi valvolari meccaniche, o a strutture calcifiche. Cono d ombra Si evidenzia una banda scura, ipoecogena, dietro alla struttura fortemente ecorifrangente. Fenomeni di attenuazione Rinforzo di parete posteriore Rinforzo (Enhancement) È l accentuazione dell ampiezza delle onde riflesse che avviene a carico di strutture poste dietro ad altre strutture scarsamente riflettenti. È per così dire il reciproco del cono d ombra. Quando un fascio di US attraversa una struttura che attenua poco l intensità degli US, raggiunge le strutture più profonde conservando ancora una intensità relativamente elevata, maggiore dell intensità degli ultrasuoni di zone vicine che hanno dovuto invece attraversare strutture con maggiore potere attenuante. Gli echi prodotti dalle strutture posteriori a zone di scarsa attenuazione ritorneranno quindi al trasduttore con una intensità maggiore rispetto agli echi provenienti dalle zone circostanti, e saranno rappresentati sullo schermo come un cono iperecogeno che si estende posteriormente all oggetto scarsamente attenuante. (da Feldman MK et al. RadioGraphics 2009) Il rinforzo può avvenire, per esempio, a carico di strutture poste dietro a strutture liquide, come la parete posteriore del cuore.

12 Come utilizzare positivamente (alcuni) artefatti? Cono d ombra Ci indica che la struttura che lo produce è altamente riflettente/rifrangente. Si può trattare di: 1- struttura metallica (stent di protesi) 2- calcificazione (ad es. a carico di valvole native) Enhancement La struttura situata anteriormente alla zona con enhancement presenta impedenza acustica inferiore a quella delle restanti strutture. In caso di cisti, il fenomeno ci indica che queste contengono liquido. Attenuazione diffusa Avviene per es. nelle persone obese, in cui il grasso agisce da forte attenuatore degli US (oltre ad aumentare la distanza fra trasduttore e strutture da esplorare). Utilizzare trasduttori a frequenze US inferiori Bibliografia Feldman MK, Katyal S, Blackwood MS.. US artifacts. RadioGraphics 2009; 29: Echo-Web Web,, the online learning center for echocardiographers, Pearce,, AZ, USA: Basic Principles of Ultrasound echo 202; 2004 Atlantic Interactive: web.com/html/echo free/echo202-1-body.asp? body.asp?code= Asbiørn Støylen ylen.. Basic ultrasound, echocardiography and Doppler for clinicians.