LA FISICA DEGLI ULTRASUONI LA COSTRUZIONE DELL IMMAGINE 2D

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1 CORSO DI FORMAZIONE IN ECOCARDIOGRAFIA DI BASE PER AREA TECNICO-INFERMIERISTICA ROMA 11-13/2/2016 Lezione 3 LA FISICA DEGLI ULTRASUONI LA COSTRUZIONE DELL IMMAGINE 2D Dott.ssa Lidia Boccardi Roma Roma 11-13/2/2016 Lidia Boccardi 1

2 PRINCIPI FISICI DEGLI ULTRASUONI Vibrazioni meccaniche in un mezzo fisico 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) ONDE : successive compressioni e rarefazioni 2

3 Principi fisici e terminologia degli Ultrasuoni 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 3

4 Ciclo tempo che intercorre tra 2 successive compressioni Roma 11-13/2/2016 4

5 Principi fisici e terminologia degli Ultrasuoni: frequenza Frequenza (f) : n cicli / unità di tempo (unità di misura Hz: 1 ciclo per secondo) λ = Lunghezza d onda: distanza tra inizio del ciclo e quello successivo

6 Principi fisici e terminologia degli Ultrasuoni: FREQUENZA f = Numero di cicli al secondo (Hz) Scala di valori: 1 ciclo/s 1Hz 1000 cicli/s 1KiloHz cicli/s 1MegaHz 30 MHz 1 MHz 20 KHz 6

7 GLI ULTRASUONI Voce di uomo: circa 100 Hz, Voce di donna: circa 200 Hz; nota LA del diapason: 440 Hz < 16 HZ INFRASUONI HZ SUONI > HZ ULTRASUONI 2,5-10 MHz ULTRASUONI DIAGNOSTICI

8 Impedenza 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)

9 Gli ultrasuoni La diagnostica ecografica si fonda sull interazione tra l onda meccanica e le particelle del mezzo attraversato.

10 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.

11 ONDE SONORE EFFETTI INTERFACCIA 1. ATTENUAZIONE proporzionale alla distanza ed al tipo di tessuto 2. RIFLESSIONE dipende dall angolo di incidenza 3. REFRAZIONE trasmissione dell onda con cambio di direzione in relazione all impedenza acustica 4. DISPERSIONE suono in varie direzioni

12 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)

13 Nelle regioni con diverse caratteristiche fisiche cambia la velocità di propagazione, e l onda viene RIFRATTA, modificando la l e la direzione di propagazione Onda Incidente Onda Rifratta Onda Riflessa

14 In principio fu il Sonar.. Settore formazione

15 Principi fisici e terminologia degli Ultrasuoni La diagnostica ecografica si fonda sull interazione tra un onda meccanica (ultrasuoni) e le particelle del mezzo (organi e tessuti) da essa attraversato: I TESSUTI NON SONO OMOGENEI, ma costituite da piccole particelle con differente resistenza acustica specifica La riflessione del suono si verifica nel passaggio tra due mezzi di densità diversa (e quindi con diversa impedenza acustica): - pericardio/miocardio - miocardio/endocardio - endocardio/sangue intracavitario L aria attenua l energia degli ultrasuoni volte più dell acqua - Aria dei polmoni/cuore = elevata impedenza acustica

16 La velocità di propagazione di un onda dipende dal mezzo attraversato La velocità di propagazione nei diversi materiali varia in funzione di Velocità propagazione Densità Impedenza Nei tessuti biologici,mediamente,è 1540 m/sec

17 GLI ULTRASUONI Tessuto Densità (Kg/m 3 ) Impedenza (Kg/m 2 s) Velocità (m/sec) Aria 1,2 0, Grasso 920 1, Acqua , Sangue , Rene , Fegato , Muscolo , Tessuto osseo medio ,

18 INTERFACCIA 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..

19 Nelle regioni con diverse caratteristiche fisiche cambia la velocità di propagazione, e l onda viene RIFRATTA, modificando la λ e la direzione di propagazione Onda Incidente Onda Rifratta Onda Riflessa

20 Come si forma l immagine? Consideriamo un fascio ultrasonoro che incide su di una Interfaccia. Ogni interfaccia produce un eco per riflessione. Il tempo di ricezione permette di localizzare l interfaccia, ossia di stimare la sua distanza dalla sonda. DAL TEMPO DI ARRIVO DELL ECO SI RISALE ALLA DISTANZA DELLA STRUTTURA RIFLETTENTE.

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22 Riflessione e trasmissione nell immagine eco 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.

23 La risposta non lineare 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

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

25 INTERFACCIA COMPLESSA 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.

26 IL BACKSCATTERING (f MHz) λ = µm Emazie = 12 µm

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

28 Le armoniche

29 LA 2a ARMONICA TISSUTALE (HTI) 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

30 LA 2 ARMONICA TISSUTALE 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

31 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.

32 La seconda armonica 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

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35 FONDAMENTALE 2 ARMONICA TISSUTALE CON 2 ARMONICA

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37 2 ARMONICA TISSUTALE 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: Rodriguez O Cardiologia 1999 ;44: Nixdorff U Eur J Echocardiogr 2001; 2:52-61 Sozzi J 2001; Heart 86:672-78

38 2A ARMONICA TISSUTALE: ECOSTRESS

39 Svantaggi: La seconda armonica 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

40 Come si forma l immagine ecocardiografica 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,..):

41 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 inversamente 2. deformarsi ed emettere impulsi elettrici quando raggiunti da ultrasuoni

42 IL FENOMENO PIEZOELETTRICO... 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. 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 deformazione meccanica che genera un onda acustica (effetto piezoelettrico inverso) proporzionale all ampiezza dell impulso ed alle caratteristiche del cristallo

43 Sonde ecografiche La sonda o trasduttore è il cuore dell ecografo; essa emette US e riceve echi riflessi. 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)

44 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

45 La risoluzione laterale.. capacità di distinguere due punti adiacenti posti sullo stesso piano Dipende dalle dimensioni e dalla forma del fascio acustico; tanto più largo è il fascio acustico tanto peggiore è la risoluzione laterale

46 L'IMMAGINE 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).

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

48 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 studiata M= motion è in funzione del tempo

49 FRAME RATE

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51 Scala dei grigi Alta compressione scala dei grigi Bassa compressione scala dei grigi

52 IL GAIN GAIN o GUADAGNO Rappresenta l amplificazione degli echi di ritorno Gain Generale Gain Settoriale

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

54 REGOLAZIONE DEL TGC TIME GAIN compensation Con la regolazione del TGC è possibile modulare la rappresentazione ecografica delle strutture che si trovano ad una determinata profondità. Oltre al settaggio della macchina è permessa una regolazione dell operatore, che però può portare alla cancellazione di echi significativi o, al contrario, alla comparsa di artefatti e riverberi.

55 TIME GAIN compensation

56 Errori comuni il gain

57 Errato gain totale

58 Artefatti immagine 2D

59 Cono d ombra posteriore

60 Riverberi posteriori Parete aortica posteriore Doppio segnale

61 Riverberi posteriori

62 FRAME RATE COMBINAZIONE ERRATA REGOLAZIONE E CREAZIONE DI ARTEFATTI.

63 REGOLE GENERALI è preferibile impiegare il minor guadagno possibile per ridurre gli artefatti (rapporto segnale-rumore). contenere il campo di vista per la migliore definizione delle immagini.

64 SEMEIOTICA ECOGRAFICA Anteriore Dx Paz. Orientamento dell immagine Sx Paz. Posteriore

65 RAPPRESENTAZIONE DELL IMMAGINE LIQUIDI NO echi di ritorno ANECOGENI SOLIDI SI echi di ritorno (riflettono) ECOGENI

66 TERMINOLOGIA ECOGRAFICA Rappresentazione dell immagine Anecogeno Ipoecogeno Isoecogeno Iperecogeno

67 OBIETTIVI Conoscenze 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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