Il sottoscritto Massimo Cocciolo 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
Corso di Ecografia Infermieristica Fisica degli ultrasuoni Massimo Cocciolo Polo Geriatrico Riabilitativo Cinisello Balsamo (MI)
Fisica degli ultrasuoni Suono: vibrazione elastica della materia indotta da una sorgente vibrante Onda (ultra)sonora: onda pressoria rappresentabile come un sinusoide in cui si hanno rispettivamente un pressione maggiore e minore nelle zone di addensamento e rarefazione delle particelle del mezzo
Onda (ultra)sonora Ampiezza Caratteristiche fisiche dell onda sono l ampiezza o lunghezza d onda e la frequenza Lunghezza d onda = velocità / frequenza Frequenza (cicli/secondo = Hertz) Gli ultrasuoni sono caratterizzati da una frequenza superiore a 20000 cicli/sec (2 MegaHertz)
Impedenza acustica È il rapporto tra la velocità del suono e la densità della materia attraversata (g/cm 3 ): la differenza di impedenza acustica tra le interfacce dei tessuti deve essere piccola, altrimenti non si ha passaggio di suono oltre l interfaccia. Velocità di propagazione Nei tessuti è mediamente 1540 m/sec FASCIO ECO ULTRASONORO INTERFACCIA ULTRASONORA
Impedenza acustica e velocità
Modalità di riflessione del fascio - I Riflessione US Rifrazione Diffusione Dispersione (scattering)
Modalità di riflessione del fascio - II Il fascio ultrasonoro, passando attraverso i tessuti, subisce un attenuazione che è dovuta in piccola parte alla riflessione e in parte maggiore all assorbimento. Aumentando la frequenza aumenta l attenuazione. In ecografia si usano frequenze che vanno da 3,5 a 40 MHz
Rapporto frequenza / profondità Strutture profonde: frequenze basse (3,5 5 MHz Strutture superficiali: frequenza alte (7,5 10 MHz o maggiori) La frequenza con cui l elemento piezoelettrico vibra dipende dal suo spessore. Tanto più è sottile, tanto più alta è la frequenza di vibrazione
Caratteristiche dell immagine US RISOLUZIONE SPAZIALE: capacità di distinguere come separate strutture vicine nei tessuti biologici RISOLUZIONE ASSIALE: capacità di distinguere come separate strutture vicine nei tessuti biologici lungo l asse del fascio ultrasonoro RISOLUZIONE LATERALE: capacità di distinguere come separate strutture vicine nei tessuti biologici sul piano ortogonale all asse del fascio ultrasonoro. Tanto più largo è il fascio, tanto peggiore è la risoluzione
Focalizzazione del fascio - I Il fascio ultrasonoro emesso da un trasduttore non focalizzato mantiene un diametro costante solo per una certa profondità (zona di Fresnel), al di là della quale va progressivamente allargandosi (zona di Fraunhofer).
Focalizzazione del fascio - II Il processo di focalizzazione consiste nella restrizione del fascio per mantenere il diametro costante per una certa estensione (regione focale), con una migliore risoluzione laterale
Il fascio di ultrasuoni viene emesso da un trasduttore elettrico a cristalli
Gli Ultrasuoni vengono emessi da sonda, eseguono una scansione rettilinea, vengono riflessi da superfici, e, quindi, rilevati dalla sonda
Trasduttori - I Si definisce piezolettrica una sostanza (ad esempio, cristalli di quarzo) in grado di convertire l energia elettrica in meccanica e viceversa. Se si applica una differenza di potenziale alle superfici opposte di una lamina di materiale piezoelettrico questa si espane e si contrae a seconda della polarità del segnale
Trasduttori - II All opposto, il ritorno delle onde sonore determina una serie di microscopiche contrazioni ed espansioni della lamina che danno luogo ad un segnale elettrico Al cessare dello stimolo elettrico la lamina tornerà alle sue dimensioni originarie, dopo una serie di vibrazioni spontanee che danno luogo alla propagazione di onde di compressione e rarefazione (onde sonore) nel mezzo materiale a contatto con la lamina Una sola lamina piezoelettrica ha la duplice funzione di emettere e di rilevare gli ultrasuoni Poiché le due funzioni non possono essere espletate contemporaneamente, ci sarà una prima breve fase di emissione, cui seguirà una fase più lunga di ricezione degli echi che ritornano dalle varie profondità tissutali
Trasduttori - III I trasduttori operano una scansione sequenziale di un insieme di linee affiancate (o divergenti) Dopo che un impulso ultrasonoro è ststo inviato lungo una prima linea di scansione e da questa sono stati ricevuti i relativi echi, il fascio viene diretto verso la seconda linea e così via fino a completare la regione di scansione, dalla quale si forma così un immagine bidimensionale.
Trasduttori - IV Gli elementi piezoelettrici sono molti (120), affiancati. Vengono attivati elettronicamente in sequenza di piccoli gruppi embricati, in modo da realizzare l acquisizione sequenziale delle linee di scansione senza alcun movimento fisico degli elementi.
Tipi di trasduttori Settoriali Lineari Convex
Sonde eco ed Ecografi
L interfaccia sonda / ecografo - I TRASMETTITORE AD IMPULSI: fornisce l impulso elettrico in risposta al quale il trasduttore emette impulsi sonori SEZIONE RICEVENTE DELL ECOGRAFO: provvede all amplificazione ed elaborazione dei segnali elettrici di ritorno SCAN CONVERTER: banco di memoria digitale in cui vengono memorizzati i segnali ecografici.
L interfaccia sonda / ecografo - II MONITOR TELEVISIVO: rappresenta i valori digitali di eco ritrasformati in voltaggio continuo (analogico). L immagine visualizzata è di norma un immagine dinamica bidimensionale (B- MODE. Ogni punto può venire graduato con 64-128 toni di grigio
I trasduttori (o sonde) ultrasonori
ECO 2D: Scelta della frequenza Maggiore è la frequenza: Migliore risoluzione assiale Minore profondità raggiungibile Minore è la frequenza Minore risoluzione assiale Maggiore profondità di scansione Oggetto reale Immagine US Oggetto reale Immagine US Alta Frequenza Bassa Frequenza
Interazione degli ultrasuoni con le strutture Fascio US nel corpo umano: Diverse interfacce Segnale trasmesso si attenua all aumentare della profondità Echi di ritorno per ogni interfaccia: differenze di impedenza acustica Segnali spuri provenienti dai fenomeni di interazione con la materia
Fisica degli ultrasuoni ECHI DI RITORNO = INTERFACCE TISSUTALI
ECO 2D (eco bidimensionale) Regolazioni sul segnale ultrasonoro Gain Profondità Focalizzazione Smoothing Persistenza Zoom Dynamic Range + Mappe Frequenza Multifrequenza Bandalarga Armonica Tissutale Armonica di contrasto Artefatti
ECO 2D: Armonica Tissutale E basata sul principio che, attraversando i tessuti, il segnale US si arrichisce di componenti armoniche Le componenti armoniche vengono generate maggiormente in tutte le zone con una alta differenza di impedenza acustica
SECONDA ARMONICA TISSUTALE Fondamentale II Armonica miglioramento delle immagini ecografiche Settore formazione 2007-2009
Eco bidimensionale Fascio di ultrasuoni=sezione ultrasonora Movimenti fini del trasduttore nell ambito delle singole finestre acustiche (piani/sezioni diversi nella proiezione) Dislocazione Inclinazione Angolazione Rotazione
FORMAZIONE DELL IMMAGINE ECO
Sono dovuti alla rifrazione del fascio all uscita dall interfaccia Artefatti
Artefatti II: RIVERBERO Prodotto da strutture fortemente ecogene (ossa, bolle gassose). Gli echi rimbalzano più volte fra sonda e tessuti dando origine ad una serie di bande ecogene con uguale distanza fra loro, ma intensità decrescente tra superficie e profondità
Artefatti - III CODA DI COMETA: determinata da strutture di piccole dimensioni ad elevata impedenza acustica (clips metalliche, cristalli di colesterolo) CONO D OMBRA POSTERIORE: strutture con impedenza acustica elevata (calcoli) possono provocare la completa riflessione del fascio, che produce posteriormente un ombra acustica priva di echi
Artefatti IV: OMBRE ACUSTICHE LATERALI Si formano in corrispondenza di strutture rotondeggianti, nelle quali gli ultrasuoni si propagano con velocità diverse (maggiori o minori) rispetto a quelle con cui si propagano nell ambiente circostante. Si possono formare sia in corrispondenza di formazioni cistiche che di strutture rotondeggianti solide («baffi laterali»).
Artefatti V: LOBI LATERALI Il fascio ultrasonoro è costituito da una parte centrale di maggiore intensità (lobo principale), che porta alla formazione dell immagine, e dalle parti periferiche del fascio (lobi laterali), di minore intensità, che posso talora interagire con superfici inclinate (pareti di cisti) simulando la presenza di oggetti all interno di formazioni a contenuto liquido (pseudoinserimento).
OTTIMIZZAZIONE DELL IMMAGINE ECO 2D ARTEFATTI Settore formazione 2007-2009
OTTIMIZZAZIONE DELL IMMAGINE ECO 2D ARTEFATTI
EFFETTO DOPPLER Scoperto dal fisico austriaco Christian Johan Doppler (1843). Variazione della frequenza di un onda quando la sorgente ed il ricevitore si muovono uno rispetto all altro. Es.: colore dell onda luminosa proveniente da una stella; frequenza di un suono nel range udibile (sirena di treno in avvicinamento/allontanamento); onde radar per la misura della velocità di un automobile; barca in movimento contro corrente o nel verso della corrente. L effetto Doppler (shift Doppler, frequenza Doppler) si ha sia che l osservatore ( ascoltatore ) si muova rispetto alla sorgente (sonora), sia che la sorgente si muova rispetto ad un osservatore in posizione fissa.
Ecografia Doppler Elementi di fisica degli ultrasuoni
Flusso Laminare Anche detto flusso parabolico Gli strati fluidi scivolano l uno sull altro La porzione centrale del fluido si muove alla massima velocità Il flusso vicino alla parete del vaso è quasi fermo frizione contro la parete
Flusso Turbolento casuale e caotico Le singole particelle si muovono in tutte le direzioni Il flusso netto è in avanti Si verifica spesso a valle di un ostruzione come una placca sulla parete del vaso
Flusso, Pressione & Resistenza La quantità del flusso è funzione di: Pressione Resistenza Pressione Il cuore fornisce la pressione pulsata
Flusso e Pressione Bassa Pressione Basso Flusso Alta Pressione Alto Flusso
Resistenza al Flusso maggiore resistenza = minore flusso La resistenza è influenzata da: Viscosità del fluido Lunghezza del vaso Diametro del vaso
Resistenza al Flusso Meno Viscosità Più Flusso Più Viscosità Meno Flusso
Resistenza al Flusso Vaso più Corto Più Flusso Vaso più Lungo Meno Flusso
Resistenza al Flusso Diametro Maggiore Più Flusso Diametro Minore Meno Flusso
Variazioni del Flusso Grandi fluttuazioni nella pressione & flusso nelle arterie che pulsano Minore fluttuazione nella pressione & flusso nelle vene Variazioni pulsatorie attutite dal sistema arterioso
Vaso Normale Distensibile Si espande & contrae con Variazioni di pressione Variazioni del ciclo cardiaco Il vaso si espande durante la sistole Il vaso si contrae durante la diastole
Misurazione del Flusso Volume di flusso Volume di liquido che passa in un punto per unità di tempo Esempio 100 ml / secondo
Misurazione del Flusso Velocità di flusso lineare Distanza che un liquido percorre a partire da un certo punto per unità di tempo Esempio 10 cm / secondo o o o
Misurazione del Flusso Volume di Flusso = Velocità Lineare X Area della Sezione o
Misurazione del Flusso Volume di Flusso = Velocità Lineare X Area della Sezione o o o o Alta Velocità Piccola Area di Sezione Bassa Velocità Grande Area di Sezione Stesso Volume di Flusso
Volume di Flusso volume di flusso costante in tutte le parti di un sistema chiuso Qualunque variazione del volume di flusso significa che si sta accumulando o perdendo fluido.
Stenosi Restringimento di un vaso Il fluido deve accelerare nella stenosi per mantenere il volume di flusso costante Non c è accumulo o perdita netta di flusso Un flusso turbolento è comune a valle di una stenosi
Stenosi Se il restringimento è corto Lieve aumento nella resistenza al flusso Lieve effetto sul volume di flusso Se il restringimento è lungo Aumento della resistenza al flusso Diminuzione del volume di flusso
Effetto Doppler (Doppler Shift) differenza tra la frequenza ricevuta e quella trasmessa causata dal movimento relativo tra la sorgente del suono e il recevitore lo spostamento della frequenza è indicativo della velocità del riflettore IN OUT
Angolo Doppler (theta) Angolo tra la direzione del suono e il flusso 0 gradi Il flusso va nella stessa direzione del suono 90 gradi Il flusso è perpendicolare alla direzione del suono θ
Angolo Doppler (theta) Angolo tra la direzione del suono e la direzione del flusso del fluido θ
Captazione Doppler Il vettore del flusso si può separare in due vettori Flusso parallelo al suono Solo il flusso parallelo al suono è captato dallo scanner!!! Flusso sempre < flusso reale Flusso perpendicolare al suono
Captazione Doppler cos(θ) = SF / AF Fusso reale (Actual flow, AF) θ θ Flusso captato (Sensed flow, SF)
Equazione di Doppler 2 X f o X v X cosθ f D = f e -f o = ------------------------- c θ f D =Doppler shift in MHz v f e = eco della frequenza riflessa (MHz) f o = frequenza operante (MHz) v = velocità del riflettore (m/s) θ = angolo tra flusso e propagazione del suono c = velocità del suono nei tessuti molli (m/s)
Relazioni 2 X f o X v X cosθ f D = f e -f o = ------------------------- c Doppler shift Positivo Il riflettore si muove verso il trasduttore Frequenza riflessa > frequenza operante θ Doppler shift Negativo Il riflettore si allontana dal trasduttore Frequenza riflessa < frequenza operante θ
Relazioni 2 X f o X v X cosθ f D = f e -f o = ------------------------- c L angolo Doppler influenza il Doppler shift misurato Angolo maggiore Coseno minore Piccolo Doppler shift cosθ θ θ
Equazione Semplificata (?) 2 X f o X v X cosθ f D = f e -f o = ------------------------- c Semplificata: 77 X f D (khz) v (cm/s) = -------------------------- f o (MHz) X cosθ Dà come risultato la velocità del riflettore Inserisce la velocità del suono per i tessuti molli
Relazioni Doppler Costante 77 X f D (khz) v (cm/s) = -------------------------- f o (MHz) X cosθ θ Una maggiore velocità del riflettore risulta in un Doppler shift maggiore Una maggiore frequenza operante risulta in un Doppler shift maggiore Un angolo Doppler maggiore risulta in un Doppler shift minore
Doppler Continuo Si presenta come un segnale audio Si usano 2 trasduttori uno trasmette continuamente uno riceve continuamente Area di ricezione il flusso viene misurato nell area di sovrapposizione tra il raggio sonoro transmittente e quello ricevente
Doppler Continuo: Funzione del Ricevitore Riceve le onde sonore riflesse Sottrae i segnali Individua la variazione della frequenza Shift tipico ~ 1/1000 della frequenza sorgente solitamente nel range del suono udibile Amplifica il segnale sottratto Lo invia direttamente all altoparlante - =
Doppler Pulsato Permette di selezionare il range Misura il Doppler shift (differenza di frequenza) solo alla/e profondità selezionate) Capacità di separare il flusso da >1 vaso o localizzare il flusso all interno del vaso
Confronto Doppler Pulsato - Doppler Continuo Onda Continua Non c è immagine Suono continuo Onda Pulsata Immagine Viene generata sia l immagine che il segnale Doppler acustico pulsato
Doppler Pulsato Differente pulsazione per l immagine e il segnale acustico Doppler Per l immagine servono impulsi brevi acquisizioni eco temporalmente accurate minimizzano la lunghezza dell impulso nello spazio ottimizzano la risoluzione assiale Per l analisi Doppler servono impulsi più lunghi riducono l ampiezza di banda forniscono una frequenza trasmessa più pura importante per una misura accurata delle differenze di frequenza necessarie per calcolare la velocità
Caratteristiche della Visualizzazione del Flusso con il Colore L immagine viene acquisita electronicamente due volte L acquisizione per l imaging processa l ecointensità L acquisizione Doppler calcola il Doppler shift Frequenza di acquisizione (frame rate) ridotta solo 1 impulso necessario per l imaging Pulsazioni addizionali necessarie se si usano foci multipli diversi impulsi posso essere necessari lungo una linea di acquisizione per determinare il Doppler shift
Duplex Doppler Gate L operatore definisce la regione Doppler attiva (gate) Viene analizzato solo il segnale all interno del gate
Visualizzazione Spettrale Visualizza in tempo reale il range delle frequenze ricevute L ampiezza di ciascuna frequenza è indicata dall intensità luminosa (brightness) Il display indica il range delle frequenze ricevute corrisponde al range delle velocità delle cellule del sangue indicativo del tipo di flusso laminare, turbolento
Misura della Velocità Assoluta La misura della velocità assoluta deve includere l angolo Doppler Angolo tra il flusso e la propagazione del suono Indicato dall operatore L accuratezza influisce sull accuratezza della velocità del flusso
Misura della Velocità Relativa Le misurazioni relative possono essere utili L angolo Doppler non è necessario Le indicazioni dell ampiezza spettrale non richiedono misurazioni assolute Il rapporto tra i flussi relativi al picco sistolico e tele-diastolico è indipendente dall angolo
Color Doppler L utente definisce la finestra sovrapposta all immagine nella scala dei grigi Per ogni punto all interno della finestra lo scanner determina La direzione del flusso Il valore medio La varianza La dimensione della finestra influenza il frame rate Finestra più larga = scansione più lenta Sono necessari più impulsi Doppler
Confronto tra Doppler Spettrale L immagine spettrale mostra i dati di frequenza dettagliati per ogni singolo punto Nel Color Doppler il colore rappresenta lo spettro completo in ogni punto della finestra e Color- Doppler
Power Doppler Anche detto: Energy Doppler Doppler di Ampiezza Angiografia Doppler Il colore rappresenta l entità del flusso anzichè la frequenza del segnale Doppler Non vengono rappresentate la direzione del flusso o le differenti velocità "Color Power Angio" del Circolo del Willis
Effetto DOPPLER Forte dipendenza dall angolo di insonazione!!! 30 < cos θ < 60
Effetto Doppler Particelle in movimento verso il fascio US emesso Analisi spettrale con onda positiva
Effetto Doppler Particelle in movimento in allontanamento dal fascio US emesso Analisi spettrale con onda negativa
Effetto Doppler cardiaco Flusso aortico in allontanamento dal fascio US emesso
Trasformazione fenomeno Doppler in Immagine eco-doppler
ECODOPPLER
ESAME COLORDOPPLER
FORMAZIONE DELL IMMAGINE COLOR E SUA OTTIMIZZAZIONE: PRF Numero di impulsi ultrasonori emessi per unità di tempo (differente dalla frequenza ultasonora del trasduttore) Se aumentiamo la PRF riduciamo il tempo di ascolto del trasduttore e conseguentemente riduciamo la profondità di esplorazione Settore formazione 2007-2009
FORMAZIONE DELL IMMAGINE COLOR E SUA OTTIMIZZAZIONE: - FRAME RATE Frame Rate (FR): Numero di nuove immagini prodotte per secondo dipende da: Dimensioni del settore US Numero di linee di scansione nel settore US Profondità del settore US Un ottimale visulizzazione dei strutture in movimento rapido e flussi veloci (con Doppler) richiede ovviamente un alto frame rate
Frame Rate (FR): Numero di nuove immagini prodotte per secondo dipende da: Dimensioni del box del colore Profondità del box del colore Numero di linee di scansione nel Box del colore
FLUSSO IN ALLONTANAMENTO DALLA SONDA
FLUSSO IN AVVICINAMENTO ALLA SONDA
La tastiera (o consolle) ecografica
La tastiera (o consolle) ecografica Regolazioni e comandi: - Caratteristiche e regolazione segnale ultrasonoro (emesso e ricevuto) - Modalità ed area di campionamento - Modalità visualizzazione immagini - Analisi e misurazioni su immagini - Registrazione, acquisizione, stampa,.. - Tastiera alfa-numerica
Tastiera Ecografo Tasti logici Tastiera alfa numerica Area controllo Doppler, Colore e Power Angio Tasto home per 2D Area delle misure Area Dll imaging
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR GAIN (Guadagno totale) Agisce sull amplificazione del segnale quantità Se poco: rischio di perdere informazioni Se troppo: saturazione e rumore
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR TCG (Time gain Compensation) Guadagni regionali Agisce sull amplificazione del segnale proveniente da profondità diverse Compensa l attenuazione del segnale proveniente dagli strati più profondi
TGC (Time Gain Compensation) Segnale attenuato in base alla profondità Regolazione dei guadagni Segnale corretto e compensato
PRF (Pulse Repetition Frequency) Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR Frequenza degli impulsi ultrasonori (n x unità di tempo) Se alta, maggior risoluzione, minor profondità Se bassa, minor risoluzione, maggior profondità
PRF (Pulse Repetition Frequency) Frequenza degli impulsi ultrasonori (n x unità di tempo) DOPPLER: Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR Agisce sul campionamento delle velocità Se bassa: ALIASING Se troppo alta: perdita flussi lenti (appiattimento)
Aliasing
Aliasing Correzione con aumento della PRF
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR Linea di base (velocità Doppler) Aumenta la scala (range) di velocità campionabili in un senso rispetto al senso opposto (oltre effetto aliasing).
Aliasing Correzione con abbassamento della linea di base
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR FREQUENZA US Varia la frequenza dell impulso di campionamento Eco 2D Bassa (2-3.5 MHz): maggior profondità, minor risoluzione temporo-spaziale Strutture profonde, di grandi dimensioni Alta (5-10 Mhz): minor profondità, maggior risoluzione temporo-spaziale Strutture vicine, di piccole dimensioni
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR FILTRO Taglia le frequenze eco e Doppler (velocità) inferiori a una certa soglia Riduce rumore di fondo, movimenti pareti e disturbi da spostamento sonda Range: 25 Hz a 250 Hz
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR Linea campionamento Doppler Regolabile con cursore (track-ball) Seleziona il raggio US, sul quale eseguire il campionamento lineare Doppler Pulsato (PW)in una zona selezionata Continuo (CW), lungo tutta la linea US
Linea di campionamento Doppler e rappresentazione spettrale (tempo/velocità)
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR DIMENSIONE VOLUME CAMPIONE DOPPLER Dimensione del gate (finestra) di campionamento (agisce sul tempo di ascolto dell onda di ritorno) Se piccolo: descrizione puntuale delle velocità Se grande: descrizione di tutte le velocità comprese nel campione
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR STEER (Orientamento; Angolo di campionamento) Solo su sonde lineari Agisce sulla direzione di campionamento del fascio Aumenta la sensibilità per angoli 30 <α< 60
Effetto DOPPLER Forte dipendenza dall angolo di insonazione
Correzione dell angolo di campionamento per ottimizzazione segnale di velocità
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR Area di analisi (box) Color Doppler Regolabile in dimensioni con cursore Seleziona la zona di analisi Color (Doppler pulsato) su immagine bidimensionale Colorazione in base alla direzione del flusso (convenzionale)
Principali comandi ECO, DOPPLER e COLOR Duplex e triplex Permette la visualizzazione contemporanea sul monitor, della traccia Doppler, delle immagini bidimensionali e color
Configurazione immagine Duplex su monitor eco
Configurazione immagine Triplex su monitor eco
Ottimizzazione Immagini Eco Struttura da esaminare al centro del fascio ultrasonoro Evitare zone vicine o lontane o laterali Regolare il fuoco sulla struttura interessata Regolare profondità (eliminare zone lontane senza strutture) Strutture in movimento perpendicolari al fascio ultrasonoro Misure più precise se parallele al fascio Regolare PRF