L’ECOGRAFIA

Principi fisici e applicazioni

Giorgio De Nunzio

Introduzione� Metodo di diagnostica per immagini dei tessuti molli, basato sulla riflessione

delle onde sonore, emesse da un trasduttore, nei tessuti del paziente. Il risultato di un esame ecografico è un’immagine bidimensionale che ricostruisce una sezione degli organi.

� Le onde sonore sono onde meccaniche longitudinali (onde di compressione ed espansione del mezzo di propagazione). Il campo di udibilità dell’orecchio umano è compreso approssimativamente tra 20 Hz e 20000 Hz; si definiscono ultrasuoni le onde di frequenza superiore a 20 kHz. In ecografia, si utilizzano ultrasuoni compresi tra 2 MHz e 15 MHz.

� Le frequenze più elevate in quest’intervallo, pur beneficiando di maggior potere risolutivo in quanto di minor lunghezza d’onda, soffrono di una minore capacità di penetrazione nel corpo del paziente.

� Le onde sono generate da un cristallo piezoceramico inserito in una sonda (trasduttore). Tra la sonda e la pelle del paziente è spalmato un gel che evita l’interposizione di aria e impedisce quindi che gli ultrasuoni subiscano una significativa attenuazione ancor prima di penetrare nel paziente.

� Oltre ad emettere gli impulsi ultrasonici, la sonda ha la funzione di raccogliere il segnale di ritorno (l’eco) e di trasmetterlo a un computer per l’elaborazione e la visualizzazione dell’immagine ricostruita.

� Tramite sistemi ecografici è possibile sia ottenere informazioni anatomichesugli organi interni del corpo, sia misurare il flusso sanguigno nei vasi del paziente (sfruttando l’effetto Doppler).

Da http://www.avenuemedia.eu/source/congressi/congressi_2010/Corso_Congiunto_2010/relazioni/Valeria_Bovina.pdf

A sinistra, un ecografo; a destra, due diverse sonde, per scansione settoriale (“forma” del campo visivo a settore di corona circolare) e per scansione lineare (campo visivo rettangolare, più stretto); sotto ciascuna sonda le immagini che si possono rispettivamente ottenere.

Onde longitudinali e onde trasversali

Il suono consiste nella propagazione di onde di pressione

essenzialmente longitudinali in un mezzo elastico, dovute al susseguirsi di espansioni e compressioni del mezzo.

In un fluido le onde sonore sono esclusivamente longitudinali (forze di taglio praticamente assenti), e in un solido di piccole dimensioni le onde trasversali sono trascurabili. In un solido di grande estensione la propagazione trasversale non può essere ignorata (terremoto!).

La sorgente dell’onda sonora è un elemento vibrante che comunica il proprio movimento al mezzo, costringendo le particelle che lo compongono a oscillare e a trasmettere a loro volta, per interazione elastica, la perturbazione alle particelle vicine, senza trasporto di materia.

Frequenza di vibrazione f :

Infrasuoni (f < 20 Hz)

Suoni udibili (20 Hz < f < 20 KHz)

Ultrasuoni (f > 20 KHz) US

Frequenza, lunghezza d’onda, velocità

� La velocità di propagazione c dipende dal mezzo:

La relazione che lega c alle proprietà del mezzo dipende dallo stato di aggregazione (solido, liquido, gassoso):

In tutti i casi:Dipendenza inversa dalla radice quadrata della densità del mezzo

f = c /λ

(longitudinale)

La formulazione della legge dell’elasticità di deve a Hooke.Nel caso semplice di un corpo soggetto a trazione essa afferma che l’allungamento èproporzionale alla forza.

F = K ∆lConviene formulare in modo opportuno la legge dell’elasticità introducendo le nozioni di SFORZO e di DEFORMAZIONE

Se sottoponiamo a trazione un campione (per esempio una sbarra od un filo) di sezione A, esercitando una forza alle sue estremità, chiamiamo sforzo (detto anche tensione o stress) il rapporto

σ = Fort / ALa lunghezza iniziale del campione sia lo; applicando lo sforzo σ la lunghezza diventa lo+∆l.Chiamiamo deformazione relativa (detta anche strain), e la indichiamo con ε , il rapporto:

ε = ∆l / loNei limiti del comportamento elastico la legge di Hooke riformulata afferma che la deformazione è direttamente proporzionale allo sforzo:

σ = E εdove E è detto modulo di Young o modulo di elasticità

Il modulo di young (1)

Hooke si accorse che se due fili, entrambi di lunghezza l0, sono tirati l’uno con un peso (2P) doppio dell’altro (P), anche l’allungamento è l’uno il doppio dell’altro.

Sfuggì, però ad Hooke che l’allungamento significativo non è quello assoluto:

l – l0= ∆l

ma piuttosto quello relativo alla lunghezza iniziale (l0), cioè la deformazione relativa ε

Young riformulò la legge di Hooke, in modo che figurasse un coefficiente E dipendentedal materiale, anzichè un coefficiente K dipendente dal materiale e dalla lunghezza del corpo.

Il modulo di young (2)

Velocità del suono in alcuni mezzi

Mezzo c (m s-1 )

Aria a 0°C ............................... 332Aria a 20°C ............................... 344Acqua a 20°C .............................. 1430 Grasso animale ............................. 1460Tessuti umani molli (in media) .................. 1550Sangue ............................... 1560Muscolo ............................... 1590Osso ......................... 2700 – 4100Alluminio ............................... 5100Ferro .................................... 5850Carbonio – Grafite ...........................18350

Considerazioni sulla velocità del suono� La velocità c, come dalla tabella precedente, dipende anche dalla

temperatura del mezzo. Per l’aria: c = 331.6 + 0.6 t (temperatura t in °C, e velocità del suono in m/s).

� Naturalmente λ = c/f. Ad esempio, un’onda sonora di 10 kHz in aria a 20 °C ha una lunghezza d’onda pari a circa 34.4 mm.

� Come accennato, e come sarà esposto più dettagliatamente nel seguito, un sistema ecografico determina la distanza (dalla sonda)di un’interfaccia tra tessuti differenti, sfruttando il tempo di ritorno di un’eco proveniente da tale interfaccia.

� Il valore di c è fondamentale per il calcolo di questa distanza, ma dipende dai tessuti attraversati!

� Si assume, nella maggior parte degli ecografi, che il valore di c sia 1540 m/s, introducendo così inevitabilmente un errore nella localizzazione delle strutture organiche situate in tessuti dalle caratteristiche medie diverse.

Pressione acustica, ampiezza e intensità

� La pressione acustica (o sonora) p è la misura della deviazione della pressione nel mezzo trasmissivo dal suo valore di equilibrio (in aria, la pressione atmosferica), provocata da un’onda sonora. La pressione acustica si misura in pascal (pa) ossia N · m-2. Essa varia istante per istante e punto per punto.

� L’ampiezza A dell’onda è il massimo valore della pressione acustica, ossia il valore (assoluto) alla massima compressione o alla massima rarefazione.

� L’intensità I è il flusso medio di energia che, nell’unità di tempo, attraversa una superficie di area unitaria disposta perpendicolarmente alla direzione di propagazione. L’unità di misura è W · m-2 . L’intensità descrive il tasso con cui l’energia è depositata localmente nel mezzo trasmissivo. Il valore di I all’uscita di una sonda ecografica è generalmente dell’ordine di qualche mW · m-2 .

� É utile introdurre il valore efficace della pressione acustica, misurabile sperimentalmente. Denominato anche valore RMS (root mean square), esso èpari allo scarto quadratico medio della pressione (ossia alla radice quadrata della media del quadrato della pressione acustica) calcolato su un periodo T:

Per Onde piane

Pressione acustica e intensità: impedenza acustica caratteristica

� La relazione tra pressione acustica e intensità non è immediata.� Per il caso particolare delle onde piane (e quindi anche di un

segnale abbastanza generico, sufficientemente lontano dalla sorgente e in un mezzo omogeneo) si verifica che:

D’ora in poi, per snellire la simbologia, rappresentiamo peff con p

Z: Impedenza acustica caratteristica del mezzo

flusso medio di energiaX

Ampiezze e intensità relative; dB

� Nelle applicazioni diagnostiche è opportuno conoscere non tanto il valore assoluto dell’ampiezza o dell’intensità, quanto piuttosto il suo valore relativamente ad un altro. Per esempio, ad ogni interfaccia tra tessuti diversi èpossibile definire un coefficiente di riflessione, dato dal rapporto tra l’intensitàdella parte riflessa del fascio di ultrasuoni, e l’intensità del fascio incidente.

� É poi vantaggioso esprimere ampiezze o intensità relative in termini di logaritmo, dando il valore in unità di dB, secondo le seguenti definizioni:

2

Ad ampiezze o intensità relative maggiori di 1 corrispondono valori in dB positivi, e viceversa. L’aumento di ampiezza o intensità porta all’incremento in dB. Per esempio, raddoppiare l’ampiezza equivale ad aggiungere (circa) 6 dB, mentre dimezzarla significa sottrarre 6 dB.

Se un fascio sonoro subisce una serie di attenuazioni, ciascuna espressa in dB, l’attenuazione complessiva si trova semplicemente sommando tra loro le singole attenuazioni in dB.

Attenuazione

� L’attenuazione è la riduzione di intensità (e quindi di potenza) del fascio di ultrasuoni al passaggio attraverso un mezzo.

� L’attenuazione è causata da fenomeni quali rifrazione, diffrazione, interferenza(dovuti al fatto che l’interfaccia tra i tessuti non è piana né omogenea), alla divergenza del fascio e all’assorbimento da parte dei tessuti, che comporta la conversione dell’energia acustica in calore.

� Come fenomeno macroscopico, l’attenuazione è funzione della distanza x percorsa (la profondità raggiunta dal fascio US) ed è espressa (in un mezzo omogeneo) da una funzione esponenziale:

dove il parametro k (coefficiente di attenuazione lineare, misurato in m-1) dipende, oltre che dal mezzo, dalla frequenza, secondo la formula:

Frequenze più elevate subiscono dunque maggiore attenuazione rispetto allefrequenze inferiori. La relazione tra k e l’attenuazione in decibel al metro ( µ ) ècomplicata, e può essere approssimata da µ = 4.3 k.

Per compensare l’attenuazione, in funzione del tessuto indagato, l’operatore haa disposizione un sistema manuale di controllo del guadagno dello strumento.

Impedenza acustica� L’impedenza acustica descrive come un mezzo risponde (e si oppone) al passaggio delle

onde sonore, che ne pongono le particelle in moto oscillatorio.� Il termine impedenza è adoperato in analogia con il caso elettrico, in cui essa è il rapporto tra

differenza di potenziale e corrente, ossia tra l’azione applicata ad un conduttore e la rispostache se ne ottiene.

� Come nel caso elettrico, l’impedenza acustica (detta propriamente impedenza acustica specifica) è nel caso generale un numero complesso che tiene conto della differenza di fasetra pressione acustica e velocità delle particelle. Essa è data dal rapporto tra le rappresentazioni complesse della pressione acustica p e della velocità u delle particelle del mezzo in un punto:

� Tuttavia nel caso delle onde longitudinali piane, o comunque a distanza sufficiente dalla sorgente, che si propaghino in un mezzo omogeneo, l’impedenza acustica è un numero reale (in analogia alla resistenza elettrica) e può essere scritta semplicemente così:

grandezza spesso indicata con il termine più adatto di impedenza caratteristica.

Nel SI, Z si misura in rayleigh (1 rayl = 1Pa m-1 s = 1 kg m-2 s-1).

Impedenza caratteristica di alcuni tessuti

Principi fisici dell’ecografia (1)� Principio fisico simile a quello dei sonar. Un impulso US è emesso dal

generatore piezoelettrico, contenuto nel trasduttore, e si propaga attraverso un mezzo trasmissivo (i tessuti del paziente);i tessuti del corpo umano hanno impedenze acustiche diverse e, in corrispondenza di ciascuna interfaccia tra tessuti di differente Z, il segnale viene in parte trasmesso e in parte riflesso.

� La frazione riflessa produce un segnale di ritorno (eco) rilevato dalla sonda ultrasonica situata nel trasduttore. Questa rivela gli ultrasuoni generando segnali elettrici, poi elaborati da un calcolatore per la costruzione di un’immagine video.

Principi fisici dell’ecografia (2)

� La distanza d dell’interfaccia riflettente dal trasduttore èlegata (tramite la velocità media c del suono nei tessuti attraversati) al tempo di volo t dell’onda sonora dal momento dell’emissione fino al ritorno al trasduttore:

d = ct/2

� Adoperando un fascio di ultrasuoni che copra un settore di corona circolare (sonda a scansione settoriale), o un rettangolo (scansione lineare), calcolando i valori di dper le interfacce tra i diversi tessuti, è possibile costruire una mappa bidimensionale della posizione delle interfacce all’interno del corpo del paziente, ottenendo un’immagine (una sezione) della disposizione dei tessutie degli organi.

Come agisce l’impedenza?

� Se Z1 e Z2 sono le impedenze acustiche caratteristiche dei tessuti adiacenti τ1 e τ2 rispettivamente, il coefficiente di riflessione dell’interfaccia, ossia il rapporto tra la potenza dell’eco e quella del segnale incidente, è dato da:

mentre il coefficiente di trasmissione (frazione di potenza trasmessa) è:

Z è legata a ρ, quindi posso “misurare” ρ dei tessuti, rappresentandola con un grigio diverso

Impedenza: un esempio (fare!)

� Considerando per esempio il passaggio da aria ad acqua a 20° C e viceversa, dalla Tabella delle impedenze si ricava

Zaria = ??????

ZH2O = ??????,

per cui il coefficiente di riflessione all’interfaccia è pari a R = ???????? mentre T = ????????:

� Situazione analoga si verifica nel passaggio dell’onda sonora da tessuto corporeo molle ad aria (e viceversa), in quanto l’impedenza dei tessuti molli èvicina (e spesso lievemente maggiore) a quella dell’acqua. Il coefficiente di trasmissione si calcola ponendo ad esempio

Zmuscolo = ???????

Zaria = ???????

e quindi R = ?????

Impedenza: un esempio (soluzione)

� Considerando per esempio il passaggio da aria ad acqua a 20° C e viceversa, dalla Tabella delle impedenze si ricava

Zaria = 444 rayl

ZH2O = 1.43 ·106 rayl,

per cui il coefficiente di riflessione all’interfaccia è pari a R = 0.9988 mentre T = 1.2 · 10-3: solo l’uno per mille della potenza sonora attraversa l’interfaccia, che costituisce quindi una barriera quasi insormontabile.

� Situazione analoga si verifica nel passaggio dell’onda sonora da tessuto corporeo molle ad aria (e viceversa), in quanto l’impedenza dei tessuti molli èvicina (e spesso lievemente maggiore) a quella dell’acqua. Il coefficiente di trasmissione si calcola ponendo ad esempio

Zmuscolo = 1.70 · 106 rayl

Zaria = 444 rayl

e quindi R = 0.9990, che lascia una potenza troppo bassa a disposizione dell’onda trasmessa.

ConseguenzeX

� Le conseguenze sono due:

� le cavità del corpo umano sono nascoste all’indagine ecografica (polmone)

� è necessario interporre tra la sonda e il corpo del paziente un gel che eviti la presenza di interfacce con aria. Quest’operazione realizza un adattamento di impedenza tra la sonda e i tessuti. Si può dimostrare che l’impedenza della sostanza che realizza l’adattamento d’impedenza è data dalla media geometrica delle impedenze dei tessuti da adattare.

Impedenza: un altro esempioX

� Ben diversa è la condizione che si determina tra due tessuti molli, o tra un tessuto molle e l’acqua (valori di Z vicini): in questo caso il coefficiente R èpiccolo, mentre T è prossimo a 1, per cui la maggior parte della potenza viene trasmessa e può giungere ad interfacce più profonde, venendo di nuovo parzialmente riflessa, e così via.

� Sempre dalla Tabella delle impedenze si deduce, per esempio, che la statosi epatica, ossia la presenza di grasso negli epatociti (cellule del fegato), dà luogo a interfacce con

Z fegato = 1.64 · 106 raylZ grasso = 1.34 · 106 rayl,

e quindi R = 0.01, frazione significativa e misurabile della potenza incidente, che lascia, però, il 99 % dell’onda sonora libera di continuare il percorso in profondità.

� Anche le interfacce tra tessuto osseo e tessuto molle sono barriere che sottraggono per riflessione, al fascio di ultrasuoni, frazioni consistenti dell’energia, causando al di là dell’osso zone d’ombra difficili da investigare.

Forma del fascio� Come un pistone vibrante, il trasduttore genera onde di pressione (compressione e

rarefazione) che si propagano nel mezzo. Similmente all’emissione di onde elettromagnetiche da un’antenna, si possono distinguere la zona di Fresnel (campo vicino) e la zona di Fraunhofer (campo lontano). Se r è il raggio dell’elemento vibrante, d la distanza dal trasduttore, λ la lunghezza d’onda, il limite tra le due zone è:

d = do = r2/λ

� La zona di Fresnel è tale che d < do, mentre la zona di Fraunhofer si trova a distanza d maggiore di do

� Ad esempio, considerando un segnale ultrasonico di frequenza f = 1 MHz in un tessuto molle (c = ???? m/s) Si ha λ = ???? mm. Se il raggio del trasduttore è pari a 2 cm, si calcola che do = ?? cm.

Campo vicino: cilindro lungo do e largo quanto il trasduttoreCampo lontano: area centrale ad alta densità che decresce in dimensione con la distanza, e area anulare di bassa intensità che cresce con la distanza. Il fascio centrale diverge con un angolo di divergenza θ = arcsin 0.61 λ/r:

Per il trasduttore a 1 MHz dell’esempio precedente il valore della divergenza è θ = 3°.

Forma del fascio� Come un pistone vibrante, il trasduttore genera onde di pressione (compressione e

rarefazione) che si propagano nel mezzo. Similmente all’emissione di onde elettromagnetiche da un’antenna, si possono distinguere la zona di Fresnel (campo vicino) e la zona di Fraunhofer (campo lontano). Se r è il raggio dell’elemento vibrante, d la distanza dal trasduttore, λ la lunghezza d’onda, il limite tra le due zone è:

d = do = r2/λ

� La zona di Fresnel è tale che d < do, mentre la zona di Fraunhofer si trova a distanza d maggiore di do

� Ad esempio, considerando un segnale ultrasonico di frequenza f = 1 MHz in un tessuto molle (c = 1540 m/s) Si ha λ = 1.540 mm. Se il raggio del trasduttore è pari a 2 cm, si calcola che do = 26 cm.

Campo vicino: cilindro lungo do e largo quanto il trasduttoreCampo lontano: area centrale ad alta densità che decresce in dimensione con la distanza, e area anulare di bassa intensità che cresce con la distanza. Il fascio centrale diverge con un angolo di divergenza θ = arcsin 0.61 λ/r:

Per il trasduttore a 1 MHz dell’esempio precedente il valore della divergenza è θ = 3°.

Pressione efficace normalizzata

Andamento simile a 1/dnorm

dnorm =

Risoluzione

� La risoluzione spaziale dell’ecografo è la capacità di differenziare strutture tra loro molto vicine, o di indagare strutture molto piccole.

� Si distingue una risoluzione assiale o longitudinale o in range (lungo la direzione del fascio) e una risoluzione laterale o in angolo (perpendicolare alla direzione di propagazione).

� La risoluzione di contrasto o in scala di grigi èinvece la capacità di risolvere, tramite gradazioni di grigio diverse, due oggetti adiacenti di riflettività simile (tessuti simili) (“sensibilità”).

Risoluzione assiale (AR)

� La frequenza impiegata influisce sulla AR perché, in linea di principio, onde di lunghezza λpermettono di stimare dettagli del medesimo ordine di grandezza.

� Si verifica che volendo apprezzare, e.g., strutture dell’ordine di 2 mm, la λ necessaria èpari a circa la metà di questo valore, ossia 1 mm.

� Assumendo per c in un mezzo il valore, tipico di un tessuto molle, di circa 1500 m/s, la fcorrispondente è f = c / λ = 1.5 MHz. Particolari di dimensioni inferiori a 2 mm, indagati con frequenze di quest’ordine di grandezza, non saranno rilevabili.

� Migliorare la AR richiede dunque di aumentare f, ma questo non è un processo illimitato: alle alte f l’assorbimento da parte dei tessuti limita la penetrazione. Altro elemento importante che limita la AR è che c presenta variazioni da tessuto a tessuto, mentre avere una velocità costante è necessario per la ricostruzione dell’immagine.

� In pratica, anche a causa della presenza di fonti di rumore, l’ordine di grandezza della risoluzione migliore ottenibile è pari a circa 1 mm.

� Considerazioni quali quelle ora esposte portano usualmente a scegliere:� per l’indagine degli organi addominali, frequenze tra 2.5 MHz e 3.5 MHz (frequenze inferiori per

organi più profondi)� per organi intermedi (vasi, mammella, tiroideX) frequenze tra 5.0 MHz e 7.5 MHz� per tessuti superficiali (vasi e masse superficiali, mammella, tiroideX) frequenze maggiori di 7.5

MHz, le meno penetranti ma di massima capacità risolutiva.

Risoluzione laterale

� La risoluzione laterale è la minima separazione di due organi rilevabile dall’ecografo in senso trasversale al fascio.

� E’ paragonabile al diametro del fascio, sicuramente maggiore della risoluzione assiale. Per diminuire la sezione del fascio occorrerebbe aumentarne la frequenza (vedere la slide “Forma del fascio”), con i giànoti problemi di assorbimento. Si migliora allora la risoluzione laterale con un sistema di messa a fuoco del fascio, volto a diminuirne la sezione.

Time-gain control

� Il fascio che esplora i tessuti del paziente viene via via attenuato in manieraesponenziale all’aumentare della profondità alla quale si propaga.

� Per questa ragione, per consentire l’individuazione di echi provenienti da interfacce profonde è necessario compensare l’attenuazione aumentando proporzionalmente l’amplificazione del segnale. Questo significa che l’eco èamplificata dal ricevitore in maniera esponenziale rispetto alla profonditàraggiunta, e quindi rispetto al tempo passato dall’emissione dell’impulso.

� Questo artificio si chiama Time Gain Control (TGC)

Modalità di esecuzioneEsistono tre modalità di esecuzione di un esame ecografico:� A – Mode (Amplitude Mode): ancora usata in oculistica (biometria dell’occhio) ed

encefalografia (misura del diametro biparietale), è attualmente superata dal B –Mode. Ogni eco è rappresentata sullo schermo di un oscilloscopio come un picco la cui ampiezza è proporzionale all’intensità dell’eco; dal tempo necessario all’onda riflessa per tornare al sistema ricevente, si misura la distanza tra l’interfaccia che ha provocato la riflessione e la sonda. È monodimensionale (permette l’analisi in una sola dimensione).

� TM – Mode (Time Motion Mode): consente di misurare i movimenti delle struttureecogene, arricchendo dunque l’A – Mode con il dato dinamico. La metodica è tuttora usata in cardiologia, per lo studio del movimento delle valvole cardiache. L’ecografo fornisce un’immagine bidimensionale in cui ogni eco è rappresentata da un punto luminoso, che si sposta in base al movimento della struttura che lo ha generato.

� B – Mode (Brightness Mode o modulazione di luminosità): fornisce un’immagine Ecotomografica (ossia di una sezione del corpo) degli echi provenienti dalle strutture in esame. L’immagine è costruita convertendo gli echi in segnali la cui luminosità(tonalità di grigio) è legata all’intensità dell’eco; i rapporti spaziali fra i vari echi “costruiscono” sullo schermo l’immagine della sezione dell’organo in esame. La rappresentazione delle informazioni tramite un’immagine bidimensionale in scala di grigi, in cui le diverse tonalità di grigio rappresentano echi di diversa ampiezza, ha migliorato la qualità e la quantità di informazioni ottenibili dall’immagine ecografica. Le strutture corporee sono rappresentate con toni che vanno dal nero al bianco. I punti bianchi indicano la presenza di una struttura iperecogena, come un calcolo, mentre i punti neri sono resi da strutture ipoecogene quali i liquidi. L’ecografia in B –Mode è generalmente dinamica (realtime) con almeno 16 immagini al secondo.

A-MODE

B-MODE TM-MODE

Strutture iperecogene e anecogene

La cisti è una cavità o sacca, normale o patologica, chiusa da una membrana ben distinta, contenente un materiale liquido o semisolido

Gli angiomi sono tumori benigni dovuti a proliferazione dell'endotelio dei vasi, siano essi arteriosi, venosi, linfatici, biliari

Artefatti

Gli artefatti sono regioni dell’immagine che non sono rappresentazioni fedeli del tessuto riprodotto. Diversi artefatti possono affliggere le immagini ecografiche, tra cui:

• Speckle;

• Reverberation Echoes;

• Acoustic Shadowing e Acoustic Enhancement;

• Refraction e Multiple pathway.

Nell’imaging ultrasonico alcuni artefatti (in particolare Shadowing e Enhancement) sono utilizzati per dedurre informazioni e caratterizzare i tessuti.

Artefatti: Speckle

� La presenza di interfacce riflettenti non perfettamente speculari provoca complessi schemi di interferenza denominati speckle, che appaiono come una granulosità diffusa su tutta l’immagine. Siccome gli schemi interferenziali cambiano da frame a frame, ne consegue un rumore di difficilissima eliminazione.

Artefatti: Reverberation echoes (riverberazioni)

� Causati dal rimbalzare dell’onda sonora avanti e indietro tra aggregati di particelle (interfacce parallele) di grande potere riflettente, o tra un’interfaccia e la sonda.

Buon riflettore

Gli echi sono equispaziati (neltempo e quindi nellaricostruzione spaziale), dandoorigine ad una sorta di scala.

L’intensità dell’ecodiminuisce con il

tempo

Artefatti: Reverberation echoes (riverberazioni)

Solo la prima eco ha significato fisico(ogni altra eco è artefatto, in cui il tempo di volo maggiore è interpretato come presenza di struttura profonda)

Artefatti: Reverberation echoes (riverberazioni)

Riverberazione all’interno dell’arteria carotidea dovuta alla forte riflettivitàdella superficie del vaso

Artefatti: Comet tail (coda di cometa)

Serie di riflessioni all’interno di un oggetto piccolo ma dalla forte riflettività, che danno origine ad echi multiple e vicine da un oggetto.L’artefatto è parallelo all’asse del fascio, e appare come un unica lunga eco.

Artefatti: Ringdown o Resonance

Simile alla coda di cometa, è originato dalle vibrazioni risonanti di bolle di gas dovute al bombardamento ultrasonico.

Artefatti: Shadowing/Enhancement

(assorbimento/rinforzo acustico posteriore)

� Nel primo caso (detto anche cono d’ombra posteriore) un tessuto molto riflettente (grandi calcificazioni, osso) o attenuante (tessuti solidi, masse significativamente dense o maligne) fa apparire meno ecogenica una regione situata dopo di esso (vedere la figura in basso, a sinistra).

� Nel secondo caso (detto anche rinforzo di parete posteriore) un oggetto di bassa attenuazione (cisti o masse) esalta i tessuti che si trovano più in profondità (figura in basso, a destra).

Artefatti: Refraction e Multiple pathway (o Multipath) � Entrambe alterazioni del normale cammino del fascio di ultrasuoni: nel primo

caso la rifrazione su un’interfaccia provoca uno spostamento del fascio acustico, nel secondo caso le riflessioni multiple danno false (o multiple) localizzazioni di interfacce, perché il fascio impiega più tempo a tornare alla sonda

Real

object

Artifact

Refraction

Multipath

Tre in unoX

� Freccia�Ring down

� E�Enhancement

� S�Shadowing

Tre in unoX

� Freccia�Ring down

� E�Enhancement

� S�Shadowing

Pericolosità

� Per quanto noto attualmente, l’ecografia non è un esame pericolosoper il paziente, purché sia applicata in maniera prudente, ossia non superando opportuni limiti di potenza.

� Effetti dannosi – se utilizzata al di fuori dei valori di potenza consigliati – sono effetti termici e creazione di cavità.

� Gli ultrasuoni possono rompere la catena della cromatina(componente del DNA), ma ciò non ha usualmente conseguenzeperché la riparazione avviene sempre (al contrario di quanto succede con i raggi X di radiografie e CT). Ecco perché l’ecografia può essere adoperata senza rischio per l’esame del feto in gravidanza, fermo restando che il livello di intensità degli ultrasuoni deve essere basso per non danneggiarne il sistema uditivo, particolarmente delicato.

Ecografia 3D (e 4D)� Tale metodica si basa sulla ricostruzione ed elaborazione computerizzata delle normali

immagini ecografiche bidimensionali. Si possono ottenere delle immagini in tridimensionale (3D), cioè immagini ferme che vengono analizzate successivamente da vari punti di vista ed in tre dimensioni, oppure immagini in 4D, dove la quarta dimensione è rappresentata dal tempo, cioè si hanno immagini tridimensionali in movimento e in tempo reale.

� Applicazione più diffusa: diagnosi fetali. La maggior parte delle diagnosi di malformazioni fetali si effettua ancora con le tradizionali immagini bidimensionali, vi sono però alcune patologie per le quali la valutazione tridimensionale può offrire dei vantaggi e ci riferiamo, in particolare, allo studio dei tessuti molli, della spina bifida, di alcune patologie del sistema nervoso centrale e dell'apparato muscolo scheletrico..

http://www.diagnosiprenatale.it/eco3d.htm

Ecodoppler (1)

http://www.avenuemedia.eu/source/congressi/congressi_2010/Corso_Congiunto_2010/relazioni/Valeria_Bovina.pdf

Ecodoppler (2)

Ecodoppler (3)

Ecodoppler (4)

Ecodoppler (5)

Ecodoppler (6)

stazionarie

Biblio-Sitografia

� Ecografia: A. Castellano, G. De Nunzio, M. Donativi Fisica e tecnica delle apparecchiature biomediche. Deltaedit, Arnesano (LE) 2009

� Ecografia 3D: http://www.diagnosiprenatale.it/eco3d.htm

� Ecodoppler:http://www.avenuemedia.eu/source/congressi/congressi_2010/Corso_Congiunto_2010/relazioni/Valeria_Bovina.pdf

� Modulo di Young:http://www.ba.infn.it/~smarrone/ingegneria/lezioni/meccanica/modulo%20young.pdf