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1 L ECOGRAFIA -interazione tra onde ultrasonore e materia -diverse modalità di acquisizione del segnale ultrasonoro -Le apparecchiature e i mezzi di contrasto -La terminologia ecografica

2 Gli ultrasuoni - Vibrazioni meccaniche di frequenza > Hertz - viene sfruttato il fenomeno della piezo-elettricità scoperto dai Fratelli Curie nel

3 Piezo-Elettricità - E caratteristica di alcuni materiali cristallini che hanno molecole dipolari: positive ad un polo e negative al polo opposto

4 Piezo-Elettricità -Questi cristalli sottoposti a campi elettici di segno opposto determinano espansione e contrazioni del cristallo che vengono trasmesse ad un mezzo

5 Piezo-Elettricità - Le molecole del mezzo vibrano rispetto alla loro posizione di equilibrio e ciascuna molecola trasmette a quella vicina Così avviene la propagazione degli ultrasuoni

6 Onde Meccaniche - Non si trasmettono nel vuoto (contrariamente alla luce ed ai raggi x) - Necessitano di un mezzo di trasmissione

7 PROGRESSIONE DEL FASCIO DI US -lunghezza d onda (l) è la distanza tra due picchi successivi dell onda; si misura in metri: l = c/f. -frequenza (f) è il numero di cicli al sec.;si misura in Hz. -velocità di propagazione (c) è la distanza percorsa dall onda nell unità di tempo; si misura in m/sec. -periodo (T) è il tempo necessario perché passino due successive compressioni nello stesso punto. -ampiezza dell onda (A) è l altezza dell onda -intensità (I) indica la potenza del fascio e si misura in W/cm2

8 VELOCITA DI PROPAGAZIONE DEGLI US NEI TESSUTI - aria 331 m/sec. - grasso 1450 m/sec. - acqua, tessuti molli 1540 m/sec. - cervello 1541 m/sec. - fegato 1549 m/sec. - sangue 1570 m/sec. - muscolo 1585 m/sec. - cristallino 1620 m/sec. - osso 4080 m/sec.

9 IMPEDENZA ACUSTICA (Z) è la forza con la quale ogni mezzo si oppone al passaggio degli US, è il prodotto della densità del mezzo per la velocità di propagazione degli US e si misura in Rayls 6 -aria 0,00004 x 10 Rayls 6 6 -grasso 1,38 x 10 Rayls 6 -acqua 1,44 x 10 Rayls -cervello 1,54 x 10 Rayls -fegato 1,65 x 10 Rayls 6 -rene 1,62 x 10 Rayls -sangue 1,61 x 10 Rayls -muscolo 1,70 x 10 Rayls -cristallino 1,84 x 10 Rayls 6 -osso 7,8 x 10 Rayls

10 IL Trasduttore - I cristalli pizoelettrici si trovano all interno di dispositivi particolari: trasduttori (sonde)

11 ILTRASDUTTORE - I materiali pizoelettrici possono essere naturali (quarzo) o sintetici (zirconato di bario e piombo, tintanato di bario e piombo ) Tensione di frequenza uguale a quella delle onde che si vogliono generare

12 ILTRASDUTTORE - è realizzato in modo da emettere l onda in una sola direzione smorzando con appositi materiali l onda generata nella direzione opposta

13 ILTRASDUTTORE - ciascuna sonda è preparata per una frequenza determinata (3, MHZ ) alla quale corrisponde una determinata lunghezza d onda del fascio US È possibile cambiare l intensità del fascio ultrasonoro cioè la quantità di energia incidente sull unità di superficie nell unità di tempo

14 ILTRASDUTTORE - il cristallo piezo-elettrico oltre che da emettitore funziona da ricevitore delle onde ultrasonore che, nell impatto con le interfaccie con i tessuti vengono rimandati verso la sorgente

15 ILTRASDUTTORE - perché il cristallo sia disponibile a ricevere l eco di ritorno è necessario interrompere il campo elettrico che ha generato l impulso ultrasonoro. - l energia cinetica dell eco riflesso è trasformata in energia elettrica

16 ILTRASDUTTORE - Se studiamo un organo profondo (es. il fegato) il tempo necessario è di circa 260 microsecondi. - La frequenza massima è quindi di 3800 impulsi/secondo 3,5 5 MHz ( Hz)

17 IL Fascio US - è cilindrico e costituito da 2 parti: la zona di Fresnel e la zona di Fraunhofer Zona di Fresnel (diametro costante) Zona di Fraunhofer (diametro divergente)

18 Zona di Fresnel (diametro costante) Zona di Fresnel Zona di Fraunhofer (diametro divergente) - maggiore è la lungezza migliori sono le caratteristiche del fascio - la lunghezza è : direttamente proporzionale al diametro del fascio inversamente proporzionale alla lunghezza d onda (direttamente alla frequenza)

19 Zona di Fresnel (diametro costante) Zona di Fraunhofer Zona di Fraunhofer (diametro divergente) - percorso divergente - direttamente proporzionale alla lunghezza d onda (inversamente alla frequenza)

20 INTERAZIONE CON I TESSUTI Provoca attenuazione del fascio attraverso: - Riflessione - Assorbimento - Rifrazione - Diffusione

21 RIFLESSIONE è il fenomeno per il quale a livello della interfaccia l onda ultrasonora subisce un rinvio (formazione di un eco) Avviene ogni volta che un impulso sonoro passa da un tessuto con una determinata impedenza acustica ad un altro d impedenza acustica diversa Riflessione speculare Impedenza acustica: resistenza al passaggio dell energia sonora Z=DxC (D densità, C velocità del suono) Riflessione angolare

22 Quando due tessuti di diversa impedenza acustica si trovano a contatto si viene a creare un interfaccia Le interfaccie più grandi della lunghezza d onda del fascio vengono definite riflettori speculari e sono responsabili della visualizzazione dei profili degli organi Se il fascio incide perpendicolarmente si ha la massima rilevazione del segnale riflesso e la energia dipende dalle impedenze acustiche Riflessione speculare R=(Z1-Z2)/(Z1+Z2)

23 RIFLESSIONE è il fenomeno per il quale a livello della interfaccia l onda ultrasonora subisce un rinvio (formazione di un eco) Riflessione speculare Riflessione angolare

24 Quando due tessuti di diversa impedenza acustica si trovano a contatto si viene a creare un interfaccia Se l interfaccia è elevata una parte molto ampia del fascio viene riflesso e si ha uno sbarramento del segnale detto cono d ombra cono d ombra sporco

25 Assorbimento Energia viene dissipata in un mezzo e trasformata in calore ASSORBIMENTO è la trasformazione dell energia acustica in energia termica (80%),che il fascio ultrasonoro subisce nell attraversare i tessuti (più grande quanto più elevata è la frequenza) Direttamente proporzionale al tempo di rilassamento delle molecole dei tessuti (mezzo) dopo la compressione tessuti e dalla viscosità del mezzo Calcoli della colecisti:lesioni iperecogene con cono d ombra posteriore Assorbimento + riflessione=cono d ombra pulito

26 Assorbimento Energia viene dissipata in un mezzo e trasformata in calore Si osserva anche nei tessuti neoplastici in rapporto alla loro architettura ma non è mai netto cono d ombra sfumato

27 RIFRAZIONE è la deviazione che il fascio ultrasonoro subisce dopo aver colpito l interfaccia, superando la struttura Rifrazione Si verifica quando un fascio us incide su un interfaccia tra due mezzi con diverse velocità di propagazione con una angolazione diversa dalla perpendicolare

28 Ombra acustica

29 DIFFUSIONE O SCATTERING è la diffusione in tutte le direzioni che il fascio ultrasonoro subisce quando incontra una superficie irregolare o tante piccole superfici orientate in modo diverso di dimensioni più piccole della lunghezza d onda

30 ATTENUAZIONE è la riduzione della intensità che il fascio ultrasonoro subisce nell attraversare i tessuti; dipende in gran parte dall assorbimento ma anche da riflessione, diffusione e allargamento del fascio Quanto più piccola è la lunghezza d onda del fascio US (cioè quanto più alta è la frequenza) tanto più rapida è l attenuazione

31 Risoluzione laterale: a. Diametro del fascio (quanto più grande il cristallo minore è il potere di risoluzione); nella zona di Fraunhofer il potere di risoluzione è più insoddisfacente b. Focalizzazione: rimodellamento del fascio con riduzione del diametro nel punto di focalizzazione.. c. Frequenza: con l aumento della frequenza aumenta l estensione relativa della zona di Fresnel ma l aumeno della frequenza aumenta l attenuazione

32 POTERE RISOLUTIVO DEL FASCIO US Risoluzione assiale: si riferisce ad oggetti localizzati lungo il percorso del fascio US..

33 Risoluzione assiale: a. durata dell impulso: ciascun impulso è costituito da una serie di cicli di vibrazione prodotti nel mezzo adiacente al cristallo, riducendo a tre o due cicli la durata di ciascun impulso, è possibile far pervenire un impulso isolato a ciascun dei due oggetti.. b. Frequenza: con l aumento della frequenza (quindi riducendo la lunghezza d onda) si distinguono nello spazio due successive interazioni degli impulsi ultrasonori con I due oggetti allineati

34 Risoluzione di contrasto: a. E la capacità di distinguere due tessuti con impedenza acustica diversa: il sistema è tanto più sensibile quanto è in grado di distinguere due tessuti con minima impedenza acustica Risoluzione temporale: b. E la capacità del sistema a dimostrare movimenti rapidi delle strutture in esame; dipende dalla profondità del campo di vista e dal numero delle focalizzazioni impiegate (tanto maggiori sono questi due parametri tanto minori sono il numero di immagini formate nell unità di tempo

35 Frequenza: a. Più elevata è la frequenza maggiore è il potere di risoluzione e minore la capacità di penetrazione nei tessuti Attualmente esistono sonde a frequenza variabile Sonde Superficiali o endocavitarie: 7,5-10 MHz Sonde organi interni: 3,5-5 MHz

36 Artefatti: non riproducono la realtà Prodotti da interazioni tra ultrasuoni e strutture biologiche le quali non vengono riprodotte con le loro caratteristiche morfologiche: Riverberazioni Artefatto a coda di cometa Ring-down Rinforzo posteriore (cono d ombra posteriore, ombre acustiche laterali) Sdoppiamento dell immagine Effetto specchio

37 Artefatti: da riverberazione Prodotti da strutture fortemente riflettenti: falde gassose, strutture ossee, altre strutture calcifiche) L oggetto produce una forte riflessione, gli ultrasuoni colpiscono la superficie della sonda e da questa vengono rinviati al tessuto innescando una serie di riflessioni multiple che determinano una serie di bande ecogene Possono mascherare strutture più profonde

38 Artefatti: a coda di cometa Prodotti da strutture di piccole dimensioni ad elevata impedenza acustica: clips, punti metallici, microcalcificazioni, cristalli di colesterolo: Riflessioni multiple tra parete posteriore ed anteriore dell oggetto che producono una serie di echi paralleli Utili ai fini diagnostici

39 Artefatti: Ring-down Si realizza quando microbolle gassose a contatto con piccole quantità di liquido vengono colpite dagli US (si verifica frequentemente all interno delle anse intestinali): L aspetto è simile all artefatto a coda di cometa Più vistoso, incostante in quanto tende a comparire e scomparire durante l osservazione

40 Artefatti: Rinforzo di parete posteriore Il passaggio all interno di strutture liquide determina bassa o nulla attenuazione del fascio in profondità, di conseguenza il fascio US posteriore a strutture cistiche è amplificato rispetto a strutture parenchimatose poste alla stessa profondità.

41 DIVERSE MODALITA DI ACQUISIZIONE DEL SEGNALE ULTRASONORO: -A-MODE (Amplitude Mode, Modulazione di Ampiezza) -TM-MODE (Time Motion Mode) B-MODE (Brightness Mode, Modulazione di Luminosità)

42 Criteri per la scelta del trasduttore Campo di vista Profondità della struttura da esaminare Caratterizzazione strutturale macroscopica

43 Criteri per la scelta del trasduttore Campo di vista a. Lineare b. Settoriale c. Convex d. endocavitarie

44 Criteri per la scelta del trasduttore Campo di vista Lineare: si tratta di trasduttori rettangolari con conseguente campo di vista rettangolare (sono costituiti da numerosi cristalli accoppiati ) Si tratta di cristalli molto piccoli e, dato che la lunghezza della zona di Fresnel dipende dalle dimensioni del cristallo, di conseguenza si ha rapida comparsa della zona di fraunhofer con perdita del potere di risoluzione

45 Criteri per la scelta del trasduttore Lineare Vantaggi. Ampio campo di vista. Focalizzazione dinamica (consente buona visualizzazione nei piani superficiali) Svantaggi Ingombro intrinseco

46 Criteri per la scelta del trasduttore Campo di vista Settoriale: campo di vista tiangolare con apice a livello della sonda Ne esistono di 2 tipi: Meccanici, costituiti da un unico cristallo che ruota emettendo un unico fascio US che esplora i tessuti compresi in un settore di cerchio con ampiezza variabile da 60º a 100º Elettronici, costituiti da numerosi cristalli disposti linearmente. L eccitazione di ciascun cristallo avviene con un piccolo ritardo

47 Criteri per la scelta del trasduttore Campo di vista Settoriale Vantaggi: piccole dimensioni, focalizzazione dinamica Svantaggi Perdita di informazioni nei piani più superficiali per fenomeni di intasamento del fascio a livello della porta d ingresso

48 Criteri per la scelta del trasduttore Campo di vista Convex: è una variante del trasduttore lineare, la ceramica è ricurva in maniera convessa ed il fascio è emesso radialmente con un campo di vista a geometria settoriale Svantaggi. Perdita di risoluzione lineare

49 Criteri per la scelta del trasduttore Campo di vista Endocavitarie

50 Criteri per la scelta del trasduttore Profondità delle Strutture: All aumentare delle frequenze aumenta l attenuazione del fascio US All aumentare delle frequenze aumenta la risoluzione Stutture Addominali: Frequenza: 3.5 MHz Prof max 20 cm Risoluzione assiale 0.7 mm Risoluzione laterale 2.2 mm Stutture Superficiali: Frequenza: MHz Prof max 85 cm Risoluzione assiale mm Risoluzione laterale mm

51 Criteri per la scelta del trasduttore Campo di vista Profondità della struttura da esaminare Caratterizzazione strutturale macroscopica

52 Compensazione del guadagno di profondità (T.G.C.) L attribuzione spaziale dei punti nel mezzo tissutale viene definita riferendosi al tempo necessario al fascio riflesso (eco) per raggiungere il trasduttore Il fascio US subisce un attenuazione di 1 db/cm/mhz Tessuti con la stessa impedenza acustica avrebbero rappresentazione ecografica via via più debole in rapporto alla profondità E possibile compensare la perdita amplifificando I segnali elettrici provenienti dagli echi provenienti da prodondità maggiori

53 Guadagno dinamico dell amplificazione totale Riguarda l amplificazione totale di tutti gli echi

54 TERMINOLOGIA ECOGRAFICA -Anecogeno (con rinforzo acustico posteriore) (cisti) -Transonico -Iperecogeno con attenuazione posteriore del fascio ultrasonoro (cono d ombra) (calcoli) -Iperecogeno con riverberazione posteriore del fascio ultrasonoro (gas) -Isoecogeno -Ipoecogeno

55 Cisti mammaria:lesione anecogena con rinforzo acustico posteriore Angioma epatico: lesione iperecogena Adenoma epatico:lesione ipoecogena Calcoli della colecisti:lesioni iperecogene con cono d ombra posteriore

56 Effetto Doppler: la frequenza di un onda sonora che incontra una struttura in movimento subisce una variazione che è direttamente proporzionale alla velocità del movimento stesso La differenza fra onda incidente e onda riflessa si definisce Δf (o Doppler shift) L onda riflessa ha frequenza maggiore della incidente se se il movimento è diretto contro la sonda emittente, minore se il movimento è diretto in senso contrario Viene dunque valutata la differenza di frequenza tra l onda incidente e quella riflessa che a sua volta permette di risalire alla velocità per es. del sangue ed al verso (Δf positivo o negativo)

57 Effetto Doppler: Δf = 2vΦ cosθ/c Δf = differenza di velocità tra l onda incidente e quella riflessa v = velocità dell oggetto insonato Φ= frequenza dell onda incidente Cos Θ= coseno dell angolo tra la direzione del movimento e quello del fascio c= velocità di attraversamento del mezzo da parte dell onda Se l angolo Θ è di 90º, il suo coseno è 0 Δf è dell ordine dei KHz (nell ordine dell udibile)

58 -ANALISI DELL EFFETTO DOPPLER analisi spettrale pulsata continua Velocità >7m/s - Eco-Doppler (Duplex) - Eco-color-Doppler - Eco-power-Doppler

59 Analisi di spettro Angolo insonazione 60º frequenze In avvicinamento tempo In allontanamento Intesità di ciascuna componente di frequenza dello spettro indica indica il numero di globuli rossi che si muovono alla stessa frequenza

60

61 flusso in allontanamento nella giugulare ECD: vasi del collo normali flusso in avvicinamento nella carotide ECD: aneurisma della aorta addominale

62 Si riduce il più possibile il campo di vista dell analisi Doppler in modo da utilizzare parametri che causano riduzione del frame rate solo in una piccola parte dell immagine (particolarmente importante in caso di tessuti profondi)

63 Ottimizzazione della frequenza dell impulso di ripetizione (PRF) Élegataallaprofondità dell organo da studiare in quanto legata alle leggi fisiche sulla velocità di attraversamento dei tessuti Per alte velocità e necessario utilizzare alte PRF e viceversa La massima frequenza misurabile è pari alla metà della PRF utilizzata (limite di Nyquist)

64 Ottimizzazione della frequenza dell impulso di ripetizione (PRF) Vmax = c(prf)/4 fo cos Θ c velocità di propagazione nel mezzo fo frequenza di emissione cosθ 90º = 0

65 ARTEFATTI Effetto specchio dello spettro: Si tratta di una riflessione spettrale dall altra parte della linea di base. Dipende da eccessivo guadagno e conseguente saturazione del ricevitore; può essere evitato riducendo l amplificazione dei segnali Doppler Aliasing: Si incontra quando la frequenza edi ripetizione dell impulso (PRF) è inadeguata a misurare correttamente alte velocità. All analisi spettrale il picco sistolico dell onda appare mozzato e il suo apice scritto al di sotto della linea di base. Al color Doppler si ha comparsa di segnale di colore opposto Interviene quando Δf>PRF/2 (limite di Nyquist) Si riduce: >PRF, diminuendo la profondità, >angolo incidenza fascio, riducendo frequenza onda US, riducendo la linea di base dell analisi di spettro

66 RENE TRAPIANTATO NORMALE ECD Eco-power-Doppler

67 CISTI MAMMARIA ecotomografia imaging armonico

68 lesioni focali in fegato cirrotico assenza di flusso all ECD normale evidenza di flusso dopo iniezione di mdc

69 MOVIMENTO ARMONICO SEMPLICE

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