ECOCOLORDOPPLER DEI TRONCHI SOVRAORTICI. STUDIO DEL CIRCOLO ARTERIOSO E VENOSO: DALLA TEORIA ALLA PRATICA HANDS-ON - SESSIONE INTERATTIVA

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1 ECOCOLORDOPPLER DEI TRONCHI SOVRAORTICI. STUDIO DEL CIRCOLO ARTERIOSO E VENOSO: DALLA TEORIA ALLA PRATICA HANDS-ON - SESSIONE INTERATTIVA I principi fisici e la loro importanza nella pratica Ing. Marco Martignon Settore Bioimmagini Servizio Ingegneria Clinica AUSL Modena Corso SINV (Società Interdisciplinare NeuroVascolare) Ospedale di Baggiovara AUSL Modena 10 dicembre 2013

2 Indice Argomenti Fisica US Propagazione Focalizzazione Effetto Doppler Generazione Applicazioni US: Ecografia Modi Artefatti e regolazioni Doppler in ecografia

3 Onde sonore Onde sonore ossia onde di pressione (meccaniche) Necessitano di materia (non si propagano nel vuoto) Comportano compressione e rarefazione del mezzo su cui si propagano (a differenza delle onde trasversali) La sorgente è di tipo ondulatorio quindi si tratta di onde caratterizzate da frequenza, lunghezza onda, intensità e potenza Sono onde di tipo longitudinale (oscillazione delle particelle avviene nella stessa direzione della propagazione) (a differenza delle onde elettromagnetiche onde trasversali)

4 Ultrasuoni Onde sonore so classificano: infrasonore Acustiche Utrasonore (2-20MHz) Ultrasuoni sono utilizzati in ambito medicale a scopo terapeutico/diagnostico

5 Propagazione onde sonore (corpo umano) Velocità di propagazione c delle onde sonore dipende dalla ᵨ densità e dalla rigidità K e densità del mezzo trasmissivo In sostanza l impedenza dipende dalla densità ossia quanto più il mezzo è denso e rigido tanto meglio si propaga, (propagazione in sostanza è migliore nei liquidi ed ancor più nei solidi) L impedenza acustica è il parametro che caratterizza il comportamento del mezzo al passaggio dell onda acustica e definita come rapporto tra pressione e velocità di propagazione

6 Propagazione onde sonore (attenuazione) Durante la propagazione nel stesso mezzo le onde sono soggette ad attenuazione dovuta a perdite per assorbimento di energia sotto forma di calore nel mezzo trasmissivo in cui si propagano Coefficiente di assorbimento dell onda dipende dal comportamento del mezzo rispetto alle caratteristiche dell onda quindi dalle caratteristiche intrinseche dello stesso (densità,impedenza ecc) e dalla frequenza dell onda ( ω )

7 Propagazione onde sonore (riflessione e trasmissione) Nell attraversamento di mezzi con differente impedenza acustica le onde sonore sono soggette ai classici fenomeni di trasmissione e riflessione dell onda Il grafico evidenzia che l onda viene tanto più riflessa quanto più il mezzo successivo è meno denso del primo incontrato

8 Propagazione onde sonore (rifrazione) Nell attraversamento di mezzi con differente impedenza acustica (Z1 velocità c1, Z2 velocità c2) e differente di incidenza le onde sonore sono soggette anche ai fenomeni di deviazione della direzione detta anche rifrazione (legge di snell) (legge di snell) Se Riflessione totale

9 Propagazione onde sonore (diffusione) Durante la propagazione le onde sono soggette a fenomeni di Scattering legati alla dimensione del bersaglio rispetto alla lunghezza d onda (d<<λ) diffusione per interferenza con superficie scabra

10 Propagazione: interferenza In presenza di più sorgenti si manifestano fenomeni di interferenza costruttiva e distruttiva Fenomeni di diffrazione Sorgenti devono essere: distanziate eccitate

11 Propagazione onde sonore (doppler) Altro aspetto che influenza la propagazione degli ultrasuoni è l attraversamento di oggetti in movimento Un bersaglio che si muove rispetto alla sorgente cambia la frequenza dell onda riflessa per il noto effetto doppler Predetta influenza va considerata nei parametri di valutazione, come noto diviene utile per lo studio appositamente di oggetti in movimento

12 Utilizzo ultrasuoni Quindi si è appreso che l onda sonora riflessa (o eco riflesso) da un bersaglio contiene informazioni relative alla sua conformazione (intensità <-> densità del tessuto) oltreché alla sua posizione (distanza) rispetto alla sorgete di emissione/detenzione L insieme di informazioni provenienti dal bersaglio (organo o tessuto) bombardato opportunamente ricostruite permette di risalire alla sua morfologia In aggiunga la variazione di frequenza fornisce informazioni relative alla velocità di movimento La frequenza dell onda stabilisce inoltre la capacità di penetrazione dell onda nel mezzo (con legge inversamente proporzionale)

13 Generazione degli ultrasuoni (piezoelettricità) È ottenuta attraverso l uso di cristalli piezoelettrici (trasduttori) che sottoposti a sollecitazione elettrica convertono il segnale elettrico in meccanico e viceversa se interessati da deformazione meccanica producono un segnale elettrico

14 Fasci di ultrasuoni Vengono disposti numerosi cristalli (sorgenti US) per ottenere una fascio con potenza e caratteristche adeguate Costituiscono numerose sorgenti distanziate ed eccitate opportunamente Il fascio diverge oltre la distanza di fresnel (L=d^2/lambda) I cristalli eccitati in sequenza i cristalli con possibilità di focalizzazione del fascio e con differenti geometrie per consentire

15 Focalizzazione Focalizzazione meccanica: attraverso uso di lenti Focalizzazione elettronica: attraverso differente eccitazione dei cristalli (diversa fase degli impulsi elettrici per i critalli piezoelettrici Tramite la focalizzazione è quindi regolabile la distanza focale e la dimensione del fuoco

16 Focalizzazione elettronica Ritardando gli impulsi elettrici ad ogni singolo cristallo (sfasamento) si ottengono Variazione profondità del fuoco del fascio Variazione direzione del fascio Dimensioni del fuoco

17 Accoppiamento Trasduttore Efficienza del trasduttore e problematiche di accoppiamento degli strati: backing layer (prima dei cristalli, strato di ammortamento necessario per smorzare le vibrazioni dei cristalli) e matching layer (dopo cristalli(gel con impedenza data da Z=SQR(ZT*ZPT) media geometrica impedenze), necessario per accoppiamento sonda/pelle )

18 Applicazioni US: Ecografia L utilizzo degli ultrasuoni non udibili Buona propagazione permette l uso delle onde sonore a differenti frequenze sul corpo umano, senza effetti dannosi Ecografia o ecotomografia rappresenta la metodica attraverso la quale è possibile l indagine sottocutanea dei tessuti corporei

19 Ecografia Ottenuta mediate l utilizzo di trasduttori /cristalli piezoelettrici (sonde ecografiche) Gli echi ricevuti vengono convertiti in segnali elettrici quindi rappresentati da un immagine ricostruita e visualizzata su monitor

20 Modi Funzionamento A-MODE: rappresentazione ampiezza degli echi riflessi (SONAR) B-MODE: rappresentazione come immagine M-MODE: rappresentazione immagine in movimento Doppler : rappresentazione oggetti in movimento

21 A-MODE Rappresentazione monodimensionale degli echi riflessi tradotta in ampiezza (Ampliude) e distanza Ampiezza degli echi fornisce informazione sulla densità del mezzo, il tempo di risposta in merito alla profondità

22 B-MODE Anche nella modalità B (Brightness = luminosità) Intensità presentata in scala di grigi: il bianco corrisponde al massimo dell intensità mentre il nero all assenza di echi

23 M-MODE Il formato M-mode (Motion= movimento) non è altro che un B-mode ripetuto ad intervalli di tempo sufficientemente brevi per riprodurre il movimento dell interfaccia

24 DOPPLER Utilizza M-Mode per Flusso sanguigno Rappresentazione In rosso flusso in avvicinamento, il blu flusso in allontanamento Singolo impulso è Soggetto a forte attenuazione per aumentare l effetto vengono inviate catene di impulsi con frequenza PRF (Pulse Repetition Frequency) PRF tipicamente compresa tra 1,5 e 18kHz

25 DOPPLER Doppler Continuo (CW) Composto da Trasmettitore e ricevitore Molto utile per valutazioni vascolari di superficie Dispositivi portatili (pocket) Non soffre di artefatti da aliasing Non consente l identificazione della sorgente Doppler Pulsato (PW): Impulsi regolari Consente Rilevazione a diversi livelli di profondità È vincolato ad un volume identificato Può essere controllata la profondità in base al range degli impulsi inviati Consente l identificazione della sorgente Soggetto a numerosi artefatti Duplex Systems: immagine B-Mode + doppler Migliorare la risoluzione del doppler comporta la perdita di risoluzione del b-mode dall altro

26 Tipologie Ecografi Il mercato offre ecografi distinti in base all utilizzo: Di Base: Medicine ambulatori ecc Multidisciplinari (uso radiologico ecc) Specialistici (ost gin, cardio, intraoperatori ecc) Spiccate caratteristiche qualitative di immagini e filmati Moduli aggiuntivi come 3D/4D (cardio e fetale) Sonde utilizzabili : superficie, endocavitarie (TEE), 2D/3D/4D e l utilizzo pediatrico/neonatale possono essere portatili o trasportabili (fissi) o uso emergenza (ambulanza ecc)

27 Principali Funzionalità presenti In relazione alla tipologia, sinteticamente: Morfologica 2D Morfologica 3D /4D ossia 3D real-time Effettuazione misure biometriche Analisi Doppler Analisi con mezzo contrasto (seconda armonica tissutale) Presenza di moduli specifici per il calcolo parametri Presenza di Preset (pre-impostazioni ) memorizzabili per l operatore

28 Sonde Ecografiche Si tratta di sonde multielemento (array di elementi) A seconda dell applicazione si distinguono in: Sonde superficiali Sonde endocavitarie (endorettale, TEE ecc) Sonde intraoperatorie Divise per area e tipologia di scansione: Convex Lineare Settoriale Sonde biplane Sonde multiplanari (3D/4D)

29 Sonde Ecografiche

30 Tipologie Sonde Ecografiche Sonda Lineare : dimensione scansione legata alle dimensioni della sonda, diverge rapidamente Sonda Convex: apertura più ampia e profonda Sonda Settoriale: focalizzazione su più piani (steering) Sonde endocavitarie (biplane e anular array)

31 Generazione ed Elaborazione del segnale US Modulo Transmit Power Control: modulazione potenza US trasmessi in relazione al bersaglio e mezzo di attraversamento Modulo Amplificazione del segnale in conseguenza dell attenuazione subita (prepocessing) Modulo Eliminazione artefatti: Scattering, rumore di fondo ecc (post processing) Compensazione guadagno temporale TGC (manuale /automatico)

32 Attenuazione e TGC (Time Gain Compensation) L attenuazione subita durante il percorso (stimata in circa 3dB per cm) e conseguente l assorbimento di energia da parte del mezzo attraversato necessita di una compensazione dell ampiezza dell onda ricevuta La compensazione è proporzionale al ritardo temporale dell eco ricevuto legato alla distanza dell oggetto per questo si parla di guadagno temporale

33 Esempio TGC

34 Principali Artefatti Legati alla Frequenza, al mezzo attraversato, ed il bersaglio da osservare Speckle Reverberation Echoes Acoustic Shadowing Acoustic Enhancement; Refraction e Multiple pathway. Artefatti nel Doppler

35 Speckle interfacce riflettenti non perfettamente speculari

36 Reverberation Echoes rimbalzo echi su superfici riflettenti (si distinguono perché sono equispaziati e smorzati) Comet Tail (coda di cometa)

37 Refraction e Multiple pathway Variazione della direzione del fascio causa variazioni nei percorsi e tempi di risposta differenti Generando immagini errate in visualizzazione

38 Comet Tail (coda di cometa) Particolare situazione in cui un oggetto con forte riflettività incanala l eco lungo la direzione di propagazione

39 Ringdown o Resonance Risonanza bolle aria/gas colpite da ultrasuoni (più effetti cometa)

40 Shadowing detto anche cono d ombra posteriore Eccesivo assorbimento tessuto molto riflettente (grandi calcificazioni, osso) o comunque attenuante (tessuti solidi o masse significativamente dense o maligne) fa apparire meno ecogenica una regione situata dopo di esso

41 Enhancement Detto anche Rinforzo parete posteriore oggetto di bassa attenuazione (cisti o masse) esalta i tessuti che si trovano più in profondità con alta attenuazione

42 Tipologie Doppler Bianco e nero: classico Eco doppler Modalità colore : ( Color Flow modes) a seconda del parametro mappato: Varianza color doppler Media frequenze color doppler Potenza power doppler Color Flow Modes: Color Doppler: Power Doppler Directional Power Doppler

43 Color Doppler Mappatura (sovrapposto a immagine) velocità del flusso sanguigno in base alla frequenza media Informazioni sulla : direzione (movimento) rosso allontanamento Blu avvicinamento Flusso Posizione Soggetto a rumore di fondo (varianza) legata alle turbolenze soprattutto legata alle arterie ed alle valvole cardiache

44 Power Doppler Mappatura energia del segnale doppler Consente di ridurre il rumore di fondo e di osservare anatomia di vasi specifici Perde le informazioni relative alla direzionalità del flusso Maggiore informazioni sull anatomia dei vasi

45 Directional Power Doppler cerca di combinare informazioni relative alla direzionalità e mappatura energia piuttosto che velocità Compromesso tra qualità color e power doppler

46 Principali Artefatti nel doppler Sono numerosissime le cause di artefatti Comportano alterazione rilevazione di flusso e velocità Il dato misurato/calcolato non corrisponde con la il valore reale dipendono da Manualità operatore Impostazioni macchina

47 Alcuni Principali Artefatti nel doppler Errata impostazione dell angolo: oltre i 60 C angolo incidenza si hanno scostamenti importanti dalla velocità reale Aliasing: sottocampionamento nel caso di frequenze doppler confrontabili con la PRF (pulse repetition frequency) degli impulsi nel doppler pulsato o meglio (fd = ½ * PRF) Volume del campione: tanto più preciso quanto più il fascio è uniforme e quindi con dimensioni simili a quelle del calibro del vaso Calcolo delle velocità: subisce un errore intrinseco in conseguenza angolo di incisione <45 C Errore nel calcolo della portata: per valutazione errata della sezione a causa dell inclinazione Dispersione Spettrale: in conseguenza della variazione delle velocità di flusso (in vasi stenotici ) Risoluzione Spaziale: più scarsa dovuta ai pixel colorati e più grandi oltreché alla durata degli impulsi più lunga (vasi con calibro apparentemente più grande) Frame Rate: influenza le lunghezze del vaso

48 Cause Artefatti Doppler In sostanza artefatti dipendono da Focalizzazione profondità Frequenza e PRF Inclinazione Tipo di Bersaglio Per ridurli il più possibile è necessario quindi regolare i parametri in base al tipo di indagine: Focalizzazione quindi volume in base al Calibro del vaso Intensità del fascio in base alla Profondità del vaso frequenza PRF in base alla velocità del flusso e d alla profondità

49 Effetti ecografia Entro i limiti di potenza ecografia non è un esame pericoloso (si veda effetto di calore e creazione di cavità per scopo terapeutico) Tuttavia uso neonatale è consentito entro determinati limiti di intensità e frequenza US possono rompere la catena della cromatina(componente del DNA), ma senza conseguenze (al contrario dei raggi X e CT)

50 Effetti ecografia(2) effetti termici con aumenti di temperatura Effetto cavitazione con formazione di gas Uso mezzi di contrasto Emorragia capillari alveolari Particolare attenzione utilizzo neonatale per esami alla testa ed al cuore Ostetricia durante la gestazione al 1, 2 e 3 trimestre

51 Conclusioni Per l esecuzione esame ecografico è fondamentale comprendere La fisica degli US le limitazioni intrinseche della tecnologia Relativamente alla fisica oggi abbiamo appreso che ecografia: Si basa sugli ultrasuoni (US) La propagazione US dipende dal mezzo interposto e relativa risposta agli US È indispensabile il gel per esami di superficie Relativamente alle limitazioni abbiamo appreso che Le risposte sono soggette ad artefatti intrinseci della metodica Dipendenti dall operatore Quindi la qualità esame dipende dall oggetto da analizzare Dipende dall operatore ossia dalla modalità di svolgimento Sono quindi necessarie regolazioni in relazione all esame: Automatiche (impostate direttamente in macchina o preset) Manuali dell operatore (TGC, ecc)

52 Conclusioni Ecografia Non è dannosa (entro certi limiti) Indagine non è invasiva Diventata praticamente sostitutiva e indispensabile in alcuni ambiti Tuttavia soffre : di limitazioni intrinseche legate alla metodica stessa è una metodica altamente operatore dipendente scarsa ripetibilità esame e sovrapponibilità/confronto dei risultati è pertanto fondamentale un importante esperienza sul campo per una corretta interpretazione dei risultati

53 Grazie per l attenzione Servizio Ingegneria Clinica