Fisica degli Ultrasuoni

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1 Iter Formativo in Ecografia CORSO BASE Lecco, Novembre 2015 Fisica degli Ultrasuoni Dr. Luca Aiani DUOS Ecografia Diagnostica ed Interventistica Diagnostica per Immagini, Ospedale Valduce - Como

2 Caratteristiche degli ULTRASUONI Interazione degli US con i Tex SEMEIOTICA US elementare SEMEIOTICA US artefattuale

3 Caratteristiche degli ULTRASUONI Onde (sistemi/meccanismi di trasporto di energia senza trasporto di materia ) ELETTROMAGNETICHE Come la luce e le onde radio. Non richiedono un mezzo per la loro trasmissione. Consistono in una variazione del campo elettrico Sipropagano nel vuoto. MECCANICHE Come le onde del mare ed il suono. Sono generate da un fenomeno meccanico. Necessitano di un mezzo per la loro propagazione.

4 Pertanto si definisce ONDA.. un meccanismo di propagazione del fenomeno di perturbazione della posizione di equilibrio delle particella che compone il mezzo attraversato La particella si muove periodicamente intorno ad una posizione di equilibrio. 4

5 S Sorgente vibrante MECCANICA Assimiliamo le molecole di un mezzo (tessuto) a sfere rigide collegate da legami di tipo elastico (molle). > calore Il suono si propaga gradualmente incontrando una molecola dopo l altra.... attraverso il trasferimento di energia dovuto alle oscillazioni delle particelle di un mezzo che sono perturbate. N volte Se le oscillazioni/vibrazioni delle particelle del mezzo avvengono nella direzione di propagazione avremo un onda longitudinale. 5

6 Il suono (inteso come meccanismo di applicazione di forze che periodicamente fanno oscillazione le particelle attorno alla loro posizione di equilibrio) è un fenomeno ciclico. Pressione/Ampiezza (db); Forza necessaria per spostare la particella dalla posizione di equilibrio Al di sotto di un certa valore soglia di energia (nel campo diagnostico per es.) la propagazione della energia avviene SENZA MODIFICAZIONI DEFINITIVE del mezzo, la particella oscilla e torma nella posizione iniziale di equilibrio Lunghezza d onda: La lunghezza d onda λ è la distanza occupata da un singolo ciclo. Periodo: Il periodo τ è il tempo in cui viene compiuto un ciclo completo solitamente espresso in secondi. Frequenza: La frequenza ν è il numero di vibrazioni (cicli compressione / rarefazione) che la molecola compie nell unità di tempo. Essa è l inverso del periodo e viene espressa in Hertz (Hz) 6

7 ONDE SONORE Suoni udibili: Onde sonore la cui frequenza è compresa fra 20 Hz e 20 khz. Esse possono venire generate dalle corde vocali e percepite dall orecchio umano. Suoni udibili < 20 Hz 20 Hz e 20 khz > 20 khz 7

8 ONDE SONORE Infrasuoni: Onde sonore la cui frequenza è inferiore a 20 Hz. Non possono essere percepiti dall orecchio umano. Pare che possano essere uditi dai bovini e dagli elefanti. Infrasuoni Suoni udibili < 20 Hz 20 Hz e 20 khz > 20 khz 8

9 ONDE SONORE Ultrasuoni: Onde sonore la cui frequenza è superiore a 20 khz. Vengono prodotti e percepiti da alcuni animali (per esempio i pipistrelli) Infrasuoni Suoni udibili Ultrasuoni < 20 Hz 20 Hz e 20 khz > 20 khz 9

10 Caratteristiche degli ULTRASUONI FREQUENZA (Hz) In MEDICINA DIAGNOSTICA si usano US con frequenza compresa tra 2 MHz e 20 MHz. Nel Doppler la differenza di Frequenza tra i fasci è espressa in KHz e quindi nel range dell udibile.

11 Caratteristiche degli ULTRASUONI INTENSITÀ (mw/cm2) Questo parametro descrive l ammontare dell energia che passa attraverso una superficie perpendicolare al fascio. L unità di misura è il watt (o il milliwatt) per centimetro quadro. In diagnostica ecografica impiegate energie < a 100 mw/cm2 valore ritenuto a suo tempo privo di effetti biologici

12 Caratteristiche degli ULTRASUONI VEL. DI PROPAGAZIONE (m/s) La velocità di propagazione degli US dipende dalle caratteristiche del mezzo (tessuto/organo) nel quale si propagano 1540

13 Interazioni tra US e MATERIA

14 Caratteristiche del mezzo ELASTICITÀ E la capacità di un oggetto di ritornare alla forma e alle dimensioni originarie quando cessa l azione della forza che ne ha provocato la deformazione. Un onda sonora che percorre un mezzo è causa di deformazioni elastiche. DENSITÀ (g/cm3) La densità (ρ) di un mezzo esprime la massa per unità di volume (g/cm3). 14

15 DENSITÀ Caratteristiche del mezzo

16 Interazioni tra US e MATERIA L Impedenza Acustica (Z) -Descrive la proprieta acustica di un mezzo. -Essa corrisponde alle forze di quel mezzo che si oppongono alla trasmissione del suono (resistenza del mezzo). X Imp Ac L impedenza acustica (Z) è data dal prodotto della densità per la velocità Z = ρ v L unità di misura è g/cm²/s (oppure kg/m²/s detta Rayl).

17 Se due mezzi possiedono la stessa impedenza acustica (Z) allora il suono verrà trasmesso da un mezzo all altro senza problemi. Tessuto A Tessuto B US Z x Z x US US NO interfaccia 17 (zona posta tra due tex/strutture a differente Impedenza Acustica)

18 Se invece i due materiali hanno impedenza diversa, parte del fascio ultrasonoro verrà riflesso dall interfaccia di separazione. Tessuto A Tessuto B US Z x Z y US SI interfaccia (zona posta tra due tex/strutture a differente Impedenza Acustica) 18

19 Perché si genera un ECO di ritorno? Maggiore è la differenza di Impedenza Acustica (Z) tra due mezzi, maggiore è la frazione riflessa/diffusa del fascio ultrasonoro e quindi più forte (ecogena ) è l interfaccia Imp Ac polmoni Organi addominali e tessuti molli app. scheletrico

20 >> Impedenza Acustica (Z) : riflessione completa (eco intenso) e assenza di segnale in sede distale Impendenza Acustica Placca Calcifica Superficie Polmonare

21 < Impedenza : < riflessione (basso eco) e > trasmissione << Impedenza : riflessione assente (vuoto di eco) ed >> trasmissione (rinforzo di segnale in sede distale) Impendenza Acustica Parenchima Epatico Cisti Epatica

22 Interazioni tra US e MATERIA Analogamente all ottica esitono diverse modalità di riflessione che dipendono dalla incidenza del fascio US e da altre caratteristiche dell interfaccia (oltre che dalla Z). Specifiche modalità di Riflessione : -caratteristiche del fascio US (lung. d onda ed Intensità) -caratteristiche dei mezzi attraversati (vel. di propagazione ed Imp. Acustica) -caratteristiche della superficie attraversata (dimensioni e direzione )

23 Interazioni tra US e MATERIA.. con oggetti Grandi Oggetti più grandi rispetto alla lunghezza d onda (in US lunghezza d onda sono frazioni di mm) E la risposta (ECHI) delle SUPERFICI che SEPARANO gli ORGANI

24 .. con oggetti Grandi Insonazione Insonazione Perp. Perp. Insonazione non perp. Riflessione speculare Rifrazione

25 Interazioni tra US e MATERIA. con oggetti Piccoli Oggetti piu piccoli rispetto alla lunghezza d onda (si comportano come generatori puntiformi di us) E la risposta (ECHI) dei PARENCHIMI

26 Diffusione E la risposta (ECHI) dei PARENCHIMI e dipende da : -Impedenza acustica e dalle interfaccie delle particelle che compongono il mezzo -Numero e grandezza particelle del mezzo per unità di volume Ogni tessuto ha il suo indice di diffusione!!

27 Interazioni tra US e MATERIA Gli US nell attraversare i tessuti presentano il fenomeno della ATTENUAZIONE. Ovvero si riduce l Intensità (En) del fascio US quando attraversa i tessuti. In un mezzo omogeneo l onda si propaga senza modificare i suoi parametri, ma in generale, a causa delle perdite viscose, diminuisce progressivamente di intensità. I (X) I(x) = I(0) e -kx In generale l attenuazione dipende dalla frequenza. Le onde di bassa frequenza penetrano più in profondità! x 27

28 Interazioni tra US e MATERIA Gli US presentano il fenomeno della ATTENUAZIONE ovvero si riduce l Intensità (En) del fascio US quando attraversa i tessuti per effetto di fenomeni di: -Riflessione -Diffusione -Assorbimento

29 Interazioni tra US e MATERIA ATTENUAZIONE dipende poco dalle varie forme di RIFLESSIONE (eccetto per i calcoli) e DIFFUSIONE dipende soprattutto dal fenomeno di ASSORBIMENTO correlato all attrito viscoso che si oppone al movimento oscillatorio ( Energia meccanica trasformata in En. Termica ) dipende dalla FREQUENZA ( se raddoppio la Freq. si raddoppia il coeff. di attenuazione ovvero il fascio penetra poco in profondità)

30 Interazioni tra US e MATERIA Coefficiente di Attenuazione di un tessuto= decibel / cm << per l Acqua medio per il Parenchima Epatico > per il Muscolo

31 Interazioni tra US e MATERIA Per calcolare l attenuazione del fascio US nell attraversare un tessuto ATTENUAZIONE (db) ; coeff. di attenuazione tessuto X la distanza attraversata in cm X cm attraversati

32 Semeiotica US elemetare Ogni immagine ECOGRAFICA è la combinazione di immagini elementari: Immagini ELEMENTARI : 1) Immagini di parete 2) Immagini di vuoto acustico (liquide) 3) Immagini di parenchimi (solide) 1 3 Fegato Rene 2 In campo toracico/polmonare queste immagini ELEMENTARI permettono di ottenere immagini tradizionali solo in alcune condizioni patologiche (es.versamenti, Consolidazioni del Polmone/Masse, Patologia di Parete Toracica) e forniscono l immagine della LINEA PLEURICA (repere primario in ecografia polmonare) L ecografia polmonare (del polmone propriamente detto) sia nel normale che nel patologico si avvale anche di molteplici di immagini ARTEFATTUALI

33 Semeiotica US elemetare Immagini ELEMENTARI 1) Immagini di parete Sono delle Linee Iperecogene di separazione tra: -Solido e solido -Solido e liquido -Liquido/solido e aria (la LINEA PLEURICA è il repere primario in ecografia polmonare)

34 Semeiotica US elemetare Immagini ELEMENTARI : 2) Immagini di vuoto acustico (liquide) 3) Immagini di parenchimi (solide) ANECOGENE (Liquide) o solide omogenee) Privi di echi

35 Cisti Biliare Fluida

36 Rinforzo sonoro posteriore Gli US nell attraversare la lesione OMOGENEA non subiscono alcuna attenuazione né assorbimento (ASSENZA di RIFLESSIONE= >energia distale alla lesione)

37 Semeiotica US elemetare Immagini ELEMENTARI : 2) Immagini di vuoto acustico (liquide) 3) Immagini di parenchimi (solide) ANECOGENE (Liquide) o solide omogenee) ECOGENE (Solide o Liquide ECOGENE corpuscolate) (Solide) Privi di echi Riflettono gli echi

38 Fluida HCC Raccolta ematica

39 Semeiotica US elemetare Immagini ELEMENTARI : 2) Immagini di vuoto acustico (liquide) 3) Immagini di parenchimi (solide) ANECOGENE (Liquide) o solide omogenee) ECOGENE (Solide o Liquide ECOGENE corpuscolate) (Solide) Privi di echi Riflettono gli echi IPE-RECOGENE ISO- IPO-ECOGENE OMOGENEE DISOMOGENEE Dipende dal gradiente di Impedenza Acustica

40 Solida Livello di Ecogenicità IPERECOGENA ISOECOGENA IPOECOGENA

41 Solida Omogeneità OMOGENEA DISOMOGENEA

42 Caratteristiche e qualità dell immagine US Risoluzione Spaziale Risoluzione Assiale Risoluzione Laterale Risoluzione di Contrasto Risoluzione Temporale

43 Risoluzione Spaziale (RS) Capacità del sistema di visualizzare un target in maniera fedele alla realtà ; rappresenta la qualità della immagine. Dipende dalla divergenza del fascio (forma sonda). E direttamente proporzionale alla RL e al numero di linee di vista del campo ecografico (>n di cristalli = trasduttori ad alta densità)

44 Risoluzione Laterale (RL) Capacità del sistema di riconoscere due bersagli che giacciono perpendicolari all asse di propagazione del fascio US (due bersagli adiacenti alla stessa profondità) La RL dipende dalla forma del fascio US ; essa pertanto dipende dalla Frequenza (utilizz. la più alta possibile) e dalla forma del trasduttore

45 Risoluzione Assiale (RA) Capacità del sistema di riconoscere due bersagli situati lungo l asse di propagazione del fascio US RA= L/2 La RA è la metà della lunghezza d onda. Aumentando la frequenza della sonda aumenterà la RA (varia da 2 a 0,5mm)

46 RS, RL, RA e Frequenza

47 Risoluzione di Contrasto (RC) Capacità del sistema di riconoscere due bersagli vicini con differente impedenza acustica 29dB 66dB 100dB < compressione = > risoluzione di contrasto

48 Risoluzione Temporale (RT) Capacità del sistema di riconoscere due eventi temporali vicini come differenti ; essa viene espressa in N Frame al s (Hz) La RT dipende da differenti fattori tra cui ; le caratteristiche dell apparecchio, le dimensioni del campo, il N di fuochi

49 Generazione e Ricezione degli US Trasduttore PIEZO-ELETTRICO Genera Riceve Effetto Piezoelettrico Inverso V (impulso elettrico ) Materiale P-E Azione Meccanica (vibrazione ) Effetto Piezoelettrico Diretto

50 Generazione e Ricezione degli US Trasduttore PIEZO-ELETTRICO Genera Emette US in modo CONTINUO o PULSATO Riceve Per l ECOGRAFIA tradizionale il trasduttore emette US in modo PULSATO Alternanza di fasi T/R Trasmette 1milionesimo di s Riceve 1ms

51 Trasduttori Materiali piezo-elettrici -Quarzo (naturali) -Titanato zirconato di piombo -Titanato di bario (ceramiche con eff. Acustica 100 volte > del quarzo e facilmente modellabili) Frequenza di Vibrazione delle menbrane piezo-elettriche dipende dallo Spessore ( < S = > Freq )

52 Trasduttori Titanato zirconato di piombo (PZT) presenta una IMPEDENZA ACUSTICA 20 volte > rispetto ai tessuti molli, davanti al trasduttore (ceramica) viene posta un listerella di accopiamento Listerelle di accopiamento: -Resina epossidica e polvere di alluminio Funzione di adattamento per < la I.A.

53 Scansione Scansione US Emissione sequenziale di un insieme di linee tra loro affiancate A)Linee di scansione (da 50 a 200) B)Processo che si ripete da 5 a 40 volte al s (F.R. =frame rate=immagini/s): Velocità sufficiente affinchè l occhio abbia la percezione di una IMMAGINE CONTINUA IN TEMPO REALE

54 ECOGRAFO Il digital-beamformer ECOGRAFO DIGITALE (E.D.) è un sistema completamente Digitale di elaborazione del SEGNALE ACUSTICO in cui un Convertitore Digitale è in grado di trasformare i segnali elettrici in emissione in un codice numerico (trasmissione a codici ) Capacità di elaborazione : E.D. > E.A. di un fattore 3 > Range Dinamico da 100 a 150 db >N Canali da 64 a 512 Autoregolazioni (TGC) 3D, PANORAMIC VIEW Archiviazione Immagini o Clips Connessioni in RETE

55 GRAZIE per L ATTENZIONE Panoramica di Como

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58 ARTEFATTI US 1 Gruppo : artefatti prodotti da interazioni tra US e strutture biologiche che non sono riprodotte con le loro caratteristiche morfologiche ma danno origine ad immagini caratteristiche 2 Gruppo : situazioni in cui le strutture Anatomiche sono riconoscibili nelle loro fondamentali caratteristiche morfologiche, che appaiono però distorte e modificate rispetto alla realtà

59 ARTEFATTI 1 Gruppo : artefatti prodotti da interazioni tra US e strutture biologiche che non sono riprodotte con le loro caratteristiche morfologiche ma danno origine ad immagini caratteristiche RIVERVERAZIONI Art a CODA DI COMETA RING DOWN ARTIFACT Cono d ombra Ombre laterali Rinforzo sonoro

60 Riverberazione Prodotto da strutture fortemente riflettenti (aria, osso, superfici calcifiche) Sono riflessioni multiple tra sonda e superficie. Bande a distanza costante (distanza simile a quella tra sonda e oggetto con intensità decrescente).

61 LINEE A* Al di sotto della linea pleurica -Linee iperecogene orizzontali ad intervalli regolari (distanza cutepleura) -In profondità -Presenti nel normale *sono artefatti orizzontali

62 Artefatto a coda di cometa Originano da strutture di piccole dimensioni ma ad elevatissima impedenza (clips, cristalli colesterolo, C.E.) Fanno parte del gruppo delle riverberazioni ma in quetso caso l eco è prodotto da rilfessioni multiple che avvengono tra parete anteriore e posteriore dell oggetto

63 Artefatto a coda di cometa LINEE B* Originano dalla linea pleurica o in sede subplerica (corrispondono alla elevata impedenza esistente tra l aria alveolare e i setti interlobulari ispessiti dall edema : corrispondono alle Linee B di KARLEY) -Si muovono consensualmente alla linea pleurica -Linee iperecogene verticale ed in profondità -cancellano le linee A -Rari nel normale (3 o 4 ) *sono artefatti verticali

64 Riverbero da aria Origina unicamente dalle bolle gassose ; alla valutazione ecoscopica tale artefatto si muovono e fluttuano a differenza della cometa che appare immobile

65 Coni d ombra Generati da strutture con elevatissima impedenza sonora che determinano un completa riflessione del fascio US unitamente a fenomeni di assorbimento.

66 Ombe acustiche laterali Generati da strutture rotondeggianti (solide o liquide) in cui gli us si propagano a velocità divere (< o >) rispetto a quelle con le quali si propagano nei tessuti circostanti. Vel << nell ambiente liquido Vel media nei tessuti molli (grasso < parenchimi) Vel >> nelle strutture osse Si vede >> quando la struttura è liquida rispetto a quando è solida perchè nel primo caso la diff. di velocità tra i due mezzi è maggiore.

67 ARTEFATTI 2 Gruppo : situazioni in cui le strutture anatomiche sono riconoscibili nelle loro fondamentali caratteristiche morfologiche, che appaiono pero distorte e modificate rispetto alla realtà Artefatto da variazione della velocità di propagazione degli US Artefatto da volume parziale Effetto specchio

68 Artefatto da variazione della velocità di propagazione degli US Quando una struttura viene attraversata lentamente l immagine da essa prodotta appare ingrandita (spostamento distale della parete e delle strutture anatomiche posteriori).

69 Artefatto da volume parziale Quando raccolte liquide sono inferiori allo spessore del fascio US (c) o quando grosse raccolte liquide insonate parzialmente (B-A) ; l immagine della componente solida verrà sovrapposta alla liquida

70 Effetto specchio Quando una struttura è posta in vicinanza ad una interfaccia curva con forte riflessione (diaframma-parete vescicale),essa è riprodotta nella posizione reale e anche al di là della interfaccia. Sono riflessioni multiple tra la superficie e la struttura anatomica con allungamento del tempo impiegato per ritornare alla sonda (> tempo equivale a > distanza percorsa)