Stefania Marengo AO Ordine Mauriziano Torino La fisica degli ultrasuoni e l impostazione dell ecografo

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1 X CONGRESSO NAZIONALE ANIMO Stefania Marengo AO Ordine Mauriziano Torino La fisica degli ultrasuoni e l impostazione dell ecografo

2 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

3 Ecografia: caratteristiche 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

4 Ultrasuoni in natura 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

5 Allora NON era un esame facile 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

6 Le onde sonore 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 Herz. Sotto i 20 Herz non ci sono suoni e sopra i non sono udibili dagli umanimadamoltianimali (ilcanepuòudirefinoa herz).

7 Fisica Ultrasuoni: frequenze Per avere un idea: lavocediunuomo haunafrequenza intornoai100hz Lavocediunadonnasui200Hz Illadeldiapason440Hz L Hertz è l unità di misura della frequenza di fenomeni a carattere ciclico ed è pariauncicloalsecondo

8 Fisica Ultrasuoni 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

9 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)

10 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

11 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 tessutoeallavelocitàdelsuono.lasuamisuraèilrayl. Formula dell impedenza: Z = PC Z è l impedenza acustica. Pè la densità del tessuto Cè la velocità del suono.

12 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 Trasmissione Rifrazione Riflessione Rifrazione Per la formazione dell immagine sono importanti solo gli echi che tornano verso la sonda: gli ultrasuoni residui

13 Ecografia: le sonde 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.

14 Sonde: trasmissione e ricezione 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.

15 Sonde Sonda Lineare 7,5 MHz (6 13 MHz): alta risoluzione = bassa penetrazione Applicazioni: organi superficiali

16 Sonde Sonda Convex3,5 MHz (3 6 MHz): media risoluzione = media penetrazione Applicazioni: addome e torace

17 Sonde Sonda Settoriale 2,5 MHz (2 3 MHz): bassa risoluzione = alta penetrazione Applicazioni: cuore

18 Modalità visualizzazione Gli echi prodotti dagli ultrasuoni una volta raggiunta la sonda possono essere visualizzati con diverse modalità. Le principali sono : B mode A mode (Amplitude mode) B mode (Brigthtness mode) B mode realtime (B mode dinamico) M mode o TM mode (Time Motion mode) A mode M mode

19 Ecografia B mode real time 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.

20 Ecogenicità immagine Iperecogena Anecogena Cono d ombra Rinforzo Ecogena Attenuazione Ecogena L'immagine ecografica Il è tessuto il risultato ha di proprietà Iperecogena Anecogena sia riflessioni di trasmettere, sia «reali» sia sia «artefatte» Il di riflettere le onde scaturite tessuto dal ha proprietà tessuto di ultrasonore sottoposto riflettere trasmettere ad le e onde produce le onde ultrasonore un immagine insonazione. e grigia produce un immagine sullo schermo bianca nera la cui La sullo tonalità sola schermo interpretazione dipende dalla prevalenza morfologica dell una può o dell altra indurre in proprietà errore diagnostico.

21 Immagini di parete IPERECOGENE Riflessione

22 Immagini di parenchima ECOGENE Diffusione

23 Immagini di «vuoto» ANECOGENE Non interazioni con US

24 Ecogenicità Iperecogeno Ecogeno Ipoecogeno Anecogeno Scala dei Grigi

25 Ecogenicità OMOGENEA DISOMOGENEA OMOGENEE : stessa intensità di grigio costante in ogni zona DISOMOGENEE : intensità di grigio diverse nelle varie zone

26 Artefatti ecografici Riverberi Riflessioni speculari multiple Torace: linee A 1 cm 1 cm 1 cm Interfaccia speculare 1 cm Linee iperecogene multiple e parallele

27 Effetto pioggia (plus) Riflessioni multiple di tipo diffusotra il trasduttore e le strutture presenti nel tragitto compiuto dagli ultrasuoni prima di giungere alla raccolta liquida Tessuti molli Versamento pleurico

28 Effetto specchio (plus) Gli echi riflessitra una superficie riflettente speculare curva e una struttura vicina allungano il tempo per tornare alla sonda, ciò è interpretato come maggiore distanza percorsa.

29 Rinforzo posteriore (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

30 Cono d ombra posteriore (minus) 1. per riflessione + assorbimento: neoplasia calcificazioni (osso e calcoli) 2. per riflessione: aria 3. per assorbimento: neoplasia Nodulo calcifico polmonare osso aria

31 Ombre acustiche laterali (minus) Cisti distalmente ai marginidi strutture rotondeggianti generalmente liquide Rifrazione del fascio US per l incontro tangenziale al profilo laterale della struttura rotondeggiante che si comporta da lente acustica Aneurisma aorta addominale

32 Comandi fondamentali Pre-set Profondità Fuoco Guadagni Pre-set(dove è fornito!) Programma pre-impostatoper un dato esame con regolazione automaticadella sonda e dei principali parametri tecnici

33 Comandi fondamentali 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.

34 Comandi fondamentali Errore di regolazione della profondità(depth) corretto: 12 cm errato: 20 cm

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

36 Comandi fondamentali Errore di regolazione del fuoco corretto errato

37 Comandi fondamentali 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.

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

39 Grazie

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