Corso teorico di Ecografia Generalista Scuola Nazionale di Ecografia Generalista Coordinatore Scientifico: Dott. Fabio Bono 70° Concetti di fisica degli ultrasuoni Congresso Nazionale Noi, orgogliosamente ! !Medici di Famiglia ! ! ! !fiducia innovazione competenza organizzazione ! ! ! ! ! ! ! ! ! FI MG 6 – 11 ottobre 2014 ! !Forte Village !Santa Margherita di Pula ! ! ! ! #orgogliosamentemmg Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# un particolare ringraziamento al dott. Silvano Bignami ! MMG - Padova Le origini Lazzaro Spallanzani (fine 1700): studio sulle capacita’ dei pipistrelli di localizzare ostacoli e prede tramite gli ultrasuoni emessi. ! Johann Christian Doppler (1842): formulo’ una teoria sul cambiamento di frequenza di un fenomeno ondulatorio che si verifica quando la sorgente ed il ricevitore di tale fenomeno sono in movimento uno rispetto all’ altro. ! Pierre e Jaques Curie (1880) scoprirono il fenomeno piezoelettrico consistente nella emissione di ultrasuoni da parte di alcuni materiali. ! Lewis Richardson (1912): studi sulla individuzione di ostacoli nascosti in ambito marittimo (sonar). ! Paul Longevin (1917) costruzione del primo generatore ultrasonoro subacqueo. ! Karl e Friederick Dussik (1937) primo uso degli ultrasuoni in diagnostica neurologica con visualizzazione dei ventricoli cerebrali ! Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# ecografia • E’ una tecnica che si basa sull’impiego di onde acustiche appartenenti alla banda degli ultrasuoni ! • queste onde vengono riflesse dalle strutture del corpo umano in maniera caratteristica e diversa a seconda della loro composizione. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# ecografia ! • non fa uso di radiazioni ionizzanti ! • e’ una tecnica semplice non invasiva ! • e’ una tecnica a basso costo ! • consente uno studio morfologico, dinamico e funzionale Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# ! E’ esperienza quotidiana dell’ecografista il constatare le grandi differenze di qualita’ delle immagini tra un Paziente all’ altro 16 anni 60 anni Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni Le onde, meccanismo di propagazione dell’energia senza trasporto della materia, si suddividono in : ! • • elettromagnetiche! meccaniche. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni Le onde meccaniche, al contrario di quelle elettromagnetiche, originano da forze elastiche che legano le particelle dei mezzi attraversati e necessitano di un mezzo per trasmettersi nello spazio. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni Il suono é :! ! • un’onda meccanica,! ! • di forma ondulatoria,! ! • prodotta da un corpo in vibrazione. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni La propagazione dell’onda sonora all’interno del mezzo (per una certa distanza dalla sorgente) provoca una sollecitazione delle particelle contigue che, a loro volta, oscillano alternando fasi di compressione e rarefazione. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni ! ➢ Possiamo quindi dire che l’onda sonora è caratterizzata da zone alterne di ridotta o aumentata densità molecolare la cui rappresentazione grafica è data da una CURVA SINUSOIDALE Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Cos’è un’ onda ultrasonora? Onda di pressione caratterizzata da bande di rarefazione e compressione del mezzo attraversato. La lunghezza d’ onda : è la distanza tra punti corrispondenti di due onde consecutive. ! L’ampiezza : è il massimo valore di pressione raggiunta durante la fase di compressione . ! La frequenza : è il numero di cicli di compressione e rarefazione che si ripetono al secondo in un punto fisso del mezzo attraversato. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni ! LUNGHEZZA D’ONDA (λ)! ! ➢ è la distanza percorsa dall’onda in un periodo ! ➢ Condiziona la capacità di risoluzione dell’apparecchio Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni ! AMPIEZZA (A) ! è l’altezza massima raggiunta dall’onda rispetto alla sua linea base (è misurata in decibel dB). ➢ Da essa dipende la intensità del suono (suono forte – suono debole) ➢ esprime anche la capacità di “aggressione” del suono nei confonti dei tessuti ➢ Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni ! FREQUENZA (F) ! ➢ è il numero di cicli compiuti nell’unità di tempo (è misurata in Hz) ! ➢ Dipende dalla sorgente del suono (AMPIEZZA del SUONO) ed è maggiore tanto più alto è il suono Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni ! L’unità di misura della frequenza è l’Hertz (Hz)! ! ! ➢1 ! ➢1 ! ➢1 Hz è uguale a 1 ciclo/sec. KHz è uguale a 1000 cicli/sec. MHz è uguale a 1.000.000 cicli/sec. ! Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni I suoni udibili hanno una freq. tra i 16 ed i 20.000 Hz ➢ ! I suoni di freq. < 16 Hz sono chiamati infrasuoni ➢ ! I suoni di freq > 20.000 Hz sono chiamati ultrasuoni! ➢ ! ! ! Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni In ecografia vengono utilizzati ultrasuoni con frequenze dai 2 MHz ai 20 MHz, ( fino ai 50 MHz per applicazioni dermatologiche o endovascolari ). Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni ! ★ Per generare gli ultrasuoni sono usati dei materiali piezoelettrici (cristalli naturali di quarzo, ceramiche artificiali o polimeri plastici) ! ★ questi sono in grado di trasformare l’energia elettrica in energia meccanica e viceversa. ! ★ questa trasformazione permette di generare un campo elettrico misurabile. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni ➢ Quando al cristallo di quarzo viene applicata una corrente elettrica con polarità che cambia rapidamente (energia elettrica), questo cambia continuamente forma, divenendo prima spesso e poi sottile. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Principi di fisica degli ultrasuoni ➢ Questi continui cambiamenti di forma generano delle vibrazioni che danno origine agli ultrasuoni (energia meccanica) ! ➢ Quando gli ultrasuoni di ritorno colpiscono il cristallo di quarzo questo trasformerà l’energia meccanica in energia elettrica (effetto piezoelettrico) Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Caratteristiche dell’onda sonora Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Caratteristiche dell’onda sonora • v : Velocità di propagazione del suono • c : Velocità di propagazione del suono nei vari mezzi attraversati • Z : Impedenza acustica • D : Densità del tessuto Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# la velocità di propagazione del suono • dipende dalla densità e dalle proprietà elastiche del mezzo. • La velocità viene espressa in metri al secondo (m/s). • è costante in un mezzo omogeneo e proporzionale alla densità dello stesso. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# la velocità di propagazione del suono • Le onde sonore si propagano meglio e più velocemente nei liquidi piuttosto che nell’aria. • Quindi, i tessuti molli, che sono costituiti per la massima parte di acqua, si prestano in maniera particolare allo studio ecografico. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Relazione con la densità del mezzo attraversato L’equazione che descrive (v) è : ! c=λv dove (c) è la velocità nei vari mezzi misurata in m/s Al crescere della densità viene richiesta maggiore forza per produrre o smorzare il moto molecolare Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Relazione con la densità del mezzo attraversato • La velocità di propagazione del suono nei tessuti biologici e’ vicina a quella dell’acqua (1500 m/sec) ! • Nell’osso e’ molto elevata (3360m/sec). ! • In aria la velocità è bassa (340 m/s), Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Caratteristiche dei tessuti Tessuti Densità (kg/m3) Impedenza (kg/m2s) Velocità (m/s) Attenuazione ARIA 1.2 0.0004 330 35 GRASSO 920 1.35 1460 0.6 FEGATO 1060 1.64 1550 0.7 MILZA 1060 1.66 1560 0.3 SANGUE 1060 1.62 1560 0.2 RENE 1040 1.62 1560 1 MUSCOLO 1070 1.7 1590 2 OSSO 1380 - 1810 3.75 - 7.38 2700 - 4100 12 Ma la (v) è anche in rapporto inverso con la frequenza (f) λ = v/f per cui maggiore è la frequenza (f) tanto più piccola è la lunghezza d’onda (λ). Questo spiega perché useremo sonde a bassa frequenza per visionare strutture più profonde e viceversa Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Caratteristiche dell’onda sonora • v Velocità di propagazione del suono • c Velocità di propagazione del suono nei vari • Z Impedenza acustica • ρ Densità del tessuto Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# mezzi Impedenza acustica • Ogni mezzo oppone una certa “resistenza” alla propagazione di un’onda sonora. • Questa resistenza è detta “impedenza“. • L’impedenza rappresenta una proprietà fondamentale della materia ed è alla base della formazione degli echi. • L’impedenza è direttamente proporzionale alla densità del materiale attraversato e alla velocità del suono Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# ! ! La trasmissione del segnale ! Dipende dalle grandezze ! ρ : densità del tessuto (g/cm3) ! Tissue A Reflected Sound 0,8% Tissue B Transmitted Sound 99,2% V: velocità di propagazione nei tessuti (ritenuta costante a 1540 m/s) tessuto/tessuto V ρ = Impedenza acustica (Z) che è la resistenza opposta dai tessuti alla trasmissione dell’onda meccanica, per cui ogni mezzo biologico può essere descritto in base a (Z) Caratteristiche dei tessuti Tessuti Densità (kg/m3) Impedenza (kg/m2s) Velocità (m/s) Attenuazione ARIA 1.2 0.0004 330 35 GRASSO 920 1.35 1460 0.6 FEGATO 1060 1.64 1550 0.7 MILZA 1060 1.66 1560 0.3 SANGUE 1060 1.62 1560 0.2 RENE 1040 1.62 1560 1 MUSCOLO 1070 1.7 1590 2 OSSO 1380 - 1810 3.75 - 7.38 2700 - 4100 12 La entità delle forze che si oppongono al passaggio degli US è l’impedenza acustica (Z) che dipende dalla densità (ρ) del tessuto Z = vρ ! e viene misurata in Rayl = Kg/m2 ARIA Densità (kg/m3) 1.2 Impedenza (kg/m2s) 0.0004 Velocità (m/s) 330 Attenuazio ne 35 GRASSO 920 1.35 1460 0.6 FEGATO 1060 1.64 1550 0.7 MILZA 1060 1.66 1560 0.3 SANGUE 1060 1.62 1560 0.2 RENE 1040 1.62 1560 1 MUSCOLO 1070 1.7 1590 2 OSSO 1380 1810 3.75 - 7.38 2700 4100 12 Tessuti La entità delle forze che si oppongono al passaggio degli US è l’impedenza acustica (Z) che dipende dalla densità (ρ) del tessuto Z = vρ ! e viene misurata in Rayl = Kg/m2 Materiale: ρ [g/cm3] Z [Rayl Kg/m2] ! Aria Acqua Fegato Muscolo Grasso Sangue Osso Polmone 1,2 1000 1060 1080 952 1057 1912 400 0.0004 1.480 1.640 1.700 1.860 1.620 7.800 0.260 interazione tra ultrasuoni e materia Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Propagazione delle onde ! • Quando un’onda ultrasonora attraversa un corpo, una parte dell’ energia trasportata è assorbita dal mezzo ! • ! • ! • quando incontra una interfaccia tra due elementi di diversa struttura, viene in parte riflessa ed in parte rifratta. La componente riflessa in particolare, da’ luogo agli echi di ritorno che vengono captati dalla sonda ecografica. Il principio che determina il funzionamento degli apparecchi ecografici e’ quindi quello della formazione di echi riflessi. Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Il segnale ecografico raccoglie gli echi di ritorno dai tessuti dovuti : θi θr • Onda Incidente • Onda Diffusa o Scattering • Onda Trasmessa o Rifratta • Onda Riflessa θat Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# INTERAZIONE TRA ULTRASUONI E MATERIA • Riflessione • Rifrazione • Diffusione • Assorbimento Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# La trasmissione del segnale Il passaggio dell’onda tra due superfici aventi impedenza acustica differente comporta una riflessione della stessa % riflessa = f(ΔImpedenza) Per cui la % di riflessione è direttamente proporzionale alla frequenza e alla impedenza dei tessuti Tissue A Reflected Sound 0,8% Tissue B Transmitted Sound 99,2% ! Riflessione tessuto/tessuto Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# La trasmissione del segnale Il passaggio dell’onda tra due superfici aventi impedenza acustica differente comporta una riflessione della stessa % riflessa = f(ΔImpedenza) Per cui la % di riflessione è direttamente proporzionale alla frequenza e alla impedenza dei tessuti Tissue A Reflected Sound 0,8% Tissue B Transmitted Sound 99,2% ! La parte dell’onda meccanica riflessa provoca un’onda di ritorno mentre la parte rimanente viene trasmessa. Riflessione tessuto/tessuto Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# INTERFACCIA COEFF. Di RIFLESSIONE Aria-Tessuto molle 99,9% Tessuto molle-polmone 52% Tessuto molle-osso 43% Tessuto molle-grasso 0,69% Tessuto molle-muscolo 0,04% Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# La trasmissione del segnale alla base dell’elevato coeficiente di riflessione dell’aria rispetto ai tessuti da esplorare , in ecografia abbiamo la necessità di usare il “GEL” , soluzione di acqua e sali, che permette di ovviare a questo problema Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Se l ’onda si propaga in un mezzo omogeneo, la propagazione è continua e avviene lungo una linea retta. Quando l’ onda incontra la superficie di separazione tra due mezzi aventi impedenza acustica diversa, parte dell’onda continua a propagarsi nel secondo mezzo con una direzione diversa da quella dell’ onda incidente e prende il nome di onda rifratta, un’altra parte invece viene riflessa nel primo mezzo. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Nel caso in cui il fascio incida su di una superficie liscia ed estesa, in modo perpendicolare (Riflessione speculare), originerà un fascio di ritorno che tornerà per intero verso la sonda: questo darà origine ad una delle tre immagini fondamentali dell’ecografia l’immagine di parete ! INTERAZIONE TRA ULTRASUONI E MATERIA ! • Riflessione • Rifrazione • Diffusione • Assorbimento Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Per rifrazione si intende il fenomeno secondo cui le onde vengono riflesse ma con un angolo di divergenza analogo a quello di incidenza. Può accadere che l’eco riflessa raggiunga solo in parte o per niente la sonda. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Riflessione non speculare o ! Rifrazione In questo caso il fascio US riflesso non ritorna alla sorgente, ma prosegue in senso opposto con un angolo di divergenza analogo a quello di incidenza . Riflessione Rifrazione Scattering Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# ad esempio nell’mmagine ecografica di una sezione del fegato si può notare come una parte del diaframma appaia più luminosa mentre la restante sia meno chiaramente visibile Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# ! INTERAZIONE TRA ULTRASUONI E MATERIA ! • Riflessione • Rifrazione • Diffusione • Assorbimento Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Nel caso in cui il fascio incida su una miriade di superfici piccole e diverse, queste si comportano come generatori puntiformi di echi di riflesso. Questo comporta non un fascio di ritorno ma una diffusione dell’energia in tutte le direzioni (fenomeno dello Scattering). L’energia che viene rimandata alla sonda è molto bassa Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Nel caso che il fascio US colpisca un tessuto composito, questo si comporterà come un insieme di minuscoli centri di diffusione e darà luogo, attraverso lo scattering, a una seconda immagine ecografica fondamentale: l’immagine di parenchima Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# ! INTERAZIONE TRA ULTRASUONI E MATERIA ! • Riflessione • Rifrazione • Diffusione • Assorbimento Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# La riduzione di ampiezza del segnale • La attenuazione principale del segnale é dovuta all’ ASSORBIMENTO del segnale, con trasformazione della energia da meccanica in energia termica • • per cui la ATTENUAZIONE è direttamente proporzionale alla FREQUENZA del trasduttore La riduzione di ampiezza del segnale ! ! se si raddoppia la (f) si raddoppia il coefficiente di attenuazione e in pratica si dimezza la portata del fascio. ! Anche questo fenomeno spiega perché usiamo sonde a bassa frequenza per visionare strutture più profonde e viceversa Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# ASSORBIMENTO I = I0 e- FREQUENZE MATERIALE ARIA ACQUA SANGUE OSSO CERVELLO GRASSO FEGATO MUSCOLO TESSUTO MEDIO x 1 MHz 2 MHz 0,25 1360 17 0,2 3,5 5 3 1,5 4,3 0,06 340 8,5 0,1 2 2,5 1,5 0,75 2,1 5 MHz 0,01 54 3 0,04 1 1 0,5 0,3 0,86 10 MHz 14 2 0,5 0,15 0,43 HVL HVL in in cm cm Attenuazione Ξ f (frequenza del segnale) un db di segnale per Mhz e per cm di percorso Assorbimento ed Attenuazione degli ultrasuoni Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Le sonde Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# convex Lineare Le sonde le SONDE Settoriale Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Endocavitaria LE SONDE Il materiale piezoelettrico è accoppiato agli elettrodi e ad un blocco ammortizzatore che assorbe le onde retrograde. Emette ultrasuoni di frequenza diversa a seconda del tipo di utilizzo e rileva quelli di ritorno. Appoggiando la ‘pastiglia’ (quarzo + elettrodi) al tessuto si generano US. Le onde si propagano come un fascio che nel suo tratto prossimale e’ di dimensioni costanti ma che poi tende progressivamente a divergere. Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS La sonda ecografica la sonda funziona ecografica alternativafunziona mente alternativamente comeemettitore come e come emettitore e ricevitore come di ultrasuoni ricevitore di ultrasuoni Fase 1: emissione Fase 2: ricezione FORMA DEI TRASDUTTORI ! Linear !! ! Curvilinear Sectorial Settore formazione 2007-2009 Settoriale Convex Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Lineare Le sonde per addome hanno frequenza di 2,5-7 MHz Le sonde per parti molli e vascolari e gli intracavitari ( transvaginali, transrettali, transesofagei etc) hanno una frequenza variabile da 5 a 13, le piu’ recenti, fino a 20 MHz Gli attuali trasduttori sono MULTIFREQUENZA La scelta della sonda ( e della frequenza) da utilizzare deve essere fatta in base alle strutture che si vuole studiare. Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Sonda lineare 7 – 20 Mhz Massima risoluzione a livello B-mode Focalizzazione ottimizzata in superficie; in profondità, invece, inferiore ad altri trasduttori Campo di vista limitato dalle dimensioni del trasduttore (poco panoramica). Utilizzata per l’esplorazione dei tessuti superficiali Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Sonda Convex 2,5 – 7 Mhz Risoluzione a livello Bmode dipendente dal raggio di curvatura. Focalizzazione in profondità superiore al trasduttore lineare. Campo di vista superiore al trasduttore lineare (panoramica). Utilizzata per l’ esplorazione dei tessuti profondi (visceri). Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Sonda settoriale - Mhz Risoluzione a livello Bmode inferiore ai precedenti ma con focalizzazione in profondità e con fascio US prossimale molto stretto . Campo di vista superiore ai trasduttori precedenti nonostante la superficie di appoggio sia inferiore (molto panoramica). Utilizzata prevalentemente in cardiologia al fine di penetrare agevolmente tra le coste. Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Distanziatore D D Distanziatori. Utili nella esplorazione dei tessuti superficiali. Sono utilizzati per la ecografia mammaria e tessuti superficiali migliorando il contrasto e la qualita’ dell’ immagine. Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS immagine in scala di grigi Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# B-Mode (Brightness Modulation Mode) 1. Il trasmettitore ad impulsi fornisce un impulso elettrico in risposta al quale il trasduttore (sonda) emette US 2. Gli US arrivano alla struttura e ritornano come echi; questi vengono convertiti dalla sonda in segnali elettrici e inviati alla sezione ricevente dell ecografo che li amplificherà (guadagno totale o differenziato) 3. Nella sezione ricevente i segnali elettrici verranno elaborati per misurarne la intensità e convertirli in forma digitale; l ecografo è anche in grado di misurare la profondità che sarà proporzionale al tempo eco 4. I valori digitali eco-memorizzati vengono riconvertiti in forma analogica sotto forma di voltaggi elettrici 5. A questo punto vengono inviati allo schermo come punti luminosi la cui brillantezza è proporzionale al voltaggio dei segnali stessi 6. Il risultato finale è la visualizzazione in scala di grigi Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# L immagine in scala di grigi Le variabili che incidono nella creazione dell immagine BMode sono: - l intensità del segnale riflesso - la profondità da cui proviene il segnale (tempo di ricezione echi di ritorno al trasduttore) Gli echi riflessi ritornano alla sonda che li ha emessi e da qui sono trasmessi all apparecchio e trasformati in punti più o meno luminosi che si dispongono sullo schermo in modo perfettamente corrispondente alla struttura da cui prendono origine Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# La Diffrazione • Il fascio ultrasonoro può essere descritto come un “pennello”. • In effetti, i peli di questo pennello tendono ad allargarsi poco dopo essere fuoriusciti dalla sonda. • Essi restano paralleli fra loro solo per un breve tratto: il fascio resta coerente (cioè, con diametro pari a quello del cristallo) fino ad una distanza che è proporzionale al diametro del cristallo. • Il tratto nel quale il fascio è coerente viene detto “zona di Fresnel”; quello successivo, “zona di Fraunhofher”. La Diffrazione Zona di Fresnel: In questa zona il fascio e’ collimato e diagnostico. Zona di Fraunhofer: In questa zona il fascio diverge e di conseguenza si riduce la risoluzione laterale. Gli US a frequenza piu’ elevata hanno minor tendenza a divergere per cui si cerca di utilizzare la frequenza maggiore possibile compatibilmente con la profondita’ del tessuto da esaminare. Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Il diametro del fascio e quindi della zona focale determina la risoluzione laterale (che migliora riducendo il diametro del fascio US), la lunghezza determina la profondità di campo. Più la frequenza è elevata più si allunga la zona di Fresnel e si riduce la divergenza del fascio migliorando la risoluzione. Zona di Fresnel: Zona di Fraunhofer ll punto di passaggio tra le due zone rappresenta la zona focale del fascio ultrasonoro. La focalizzazione, nelle vecchie sonde di tipo meccanico, era fissa. Nelle moderne sonde elettroniche, la presenza di “lenti acustiche” permette di ottenere più di un punto di focalizzazione a profondità variabili. Zona di Fraunhofer Zona di Fresnel: Focalizzazione Migliora la risoluzione e quindi la qualita’ dell’immagine. E’ possibile utilizzare un singolo fuoco o piu’ fuochi, ma in questo caso si utilizzano molte risorse del sistema, rallentando i processi di elaborazione delle immagini diminuendo la fluidita’ del filmato. ! Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Zone focali Campo lontano Campo vicino Fuochi multipli Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Risoluzione Risoluzione laterale Distanza minima che il sistema puo’ rivelare tra due punti che giacciono in un piano perpendicolare all’asse di propagazione del fascio US. Tanto piu’ si allarga il fascio tanto peggiore sara’ la risoluzione laterale ! ! Risoluzione assiale Distanza minima che il sistema puo’ rivelare tra due punti che giacciono sull’asse di propagazione del fascio US. La distanza tra le due interfacce e’ maggiore della lunghezza d’ onda. Aumenta con l’aumentare della frequenza (sonde lineari). Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS In sintesi • Risoluzione laterale migliora all aumentare della frequenza • Risoluzione assiale migliora all aumentare della frequenza • Attenuazione aumenta con la frequenza degli ultrasuoni Nella scelta della sonda da utilizzare (frequenza e diametro del trasduttore) si cerca un compromesso tra la profondità da raggiungere (penetrazione) e la definizione desiderata (risoluzione) come migliorare l’immagine Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Per migliorare l’immagine, in pre-processing, è utile: • selezionare la sonda! • selezionare un preset adeguato ! • regolare il monitor! • Impostare un adeguata frequenza! • regolare il guadagno : ! modifica l’amplificazione dei segnali in modo uniforme variando in tal modo la scala di grigi.! • ! impostare il guadagno selettivo ( TGC) : modifica l’amplificazione dei segnali in modo selettivo ad una determinata profondità. ! Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Parametri di controllo Echointensity guadagno totale Depth Without Time Gain Compenstion TGC (Time Gain Compensation) TGC With Time Gain Compensation Guadagno Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Per migliorare l’immagine, in pre-processing, è utile: ! • impostare la profondità! ! • impostare il range dinamico dei grigi! Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Range dinamico • Il range dinamico rappresenta la gamma di echi che si sceglie di visualizzare. Da esso dipende la risoluzione di contrasto, la capacità cioè di differenziare nell’immagine piccole differenze di ecogenicità, e quindi differenziare tipi tissutali diversi. ! • Occorre considerare che vi può essere una notevolissima differenza di ampiezza (anche 100.000 volte) tra gli echi più forti e quelli più deboli provenienti dai tessuti. L’ecografo può riuscire a rappresentare per intero questa vasta gamma di segnali solo comprimendo al massimo la differenza di intensità tra i vari segnali. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Range dinamico • E’ però evidente che con una forte compressione delle differenze di segnale, due echi A e B di determinata ampiezza verranno visualizzati con livelli di grigio ravvicinati tra loro. ! • Scegliendo un minor grado di compressione si limita il range degli echi visualizzabili, ma gli stessi echi A e B daranno luogo a livelli di grigio più distanziati e potranno essere più facilmente distinti: vi sarà cioè una maggior risoluzione di contrasto. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Range dinamico • In altre parole, se si vuole privilegiare lo scattering occorre aumentare il range dinamico al massimo grado consentito dall’apparecchiatura : potranno così visualizzarsi, grazie alla forte compressione, anche gli echi molto deboli che originano dalla tessitura dei parenchimi. ! • Se occorre invece accentuare la risoluzione di contrasto, cioè la differenza di grigio tra strutture diverse, è necessario ridurre il range dinamico, a costo però di sacrificare gli echi più deboli. Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Per migliorare l’immagine, in pre-processing, è utile: ! • impostare la potenza di emissione ( in media 70 80 %)! ! • scegliere la migliore focalizzazione! ! • seconda armonica Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# SECONDA ARMONICA TISSUTALE il tessuto insonato risponde al fascio di US con echi di frequenza di ritorno distribuiti attorno al fascio incidente e con ulteriori fasci (ARMONICHE) di cui la seconda ha ampiezza tale da poter essere rilevata e eliminata Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# Per migliorare l’immagine, in post-processing, è possibile: • usare la moviola • fare le misurazioni • zoomare l’immagine Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# grazie per l’attenzione….. L immagine in scala di grigi • Gli echi, trasformati in segnali elettrici di ampiezza differente, vengono classificati per linee di scansione in una matrice di memoria (scan converter), in posizioni differenti a seconda della loro intensità e profondità. • La luminosità dei punti è direttamente proporzionale alla densità dei tessuti da cui provengono • L immagine sullo schermo ecografico rappresenta la mappa a diverse tonalità di grigio della densità tissutale esplorata dalla sonda ecografica Dr.$Bulgarelli$Claudio$ MMG##Segrate#(MI)#–#Sc.Naz.#di#Ecografia#Generalista# #SIEMG#–#FIMMG#;#Me<s# La Diffrazione Fresnel Fraunhofer ! Si origina al passaggio di un’onda meccanica attraverso una piccola apertura o quando la stessa investe un ostacolo di dimensioni confrontabili con la lunghezza dell’ onda stessa (0,01-1 mm). ! La diffrazione comporta la formazione di due zone nel fascio ultrasonoro: Il campo vicino detto zona di Fresnel e il campo lontano detto zona di Fraunhofer Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS Caratteristiche immagine B-Mode Risoluzione laterale >> capacità di distinguere due punti adiacenti posti sullo stesso piano Risoluzione assiale >> capacità di distinguere due strutture disposte in serie sullo stesso asse del fascio Risoluzione spaziale >> capacità di distinguere come entità separate strutture anatomiche ravvicinate Miglior qualità dell immagine Maggior rapporto segnale/rumore SEMEIOTICA ECOGRAFICA Ogni immagine ecografica è composta da un insieme di immagini elementari che nell’ insieme compongono la semeiotica US dei vari organi. - immagine di parete - Immagine di parenchima - Immagine di vuoto acustico Dottor Claudio Bulgarelli Scuola di Ecografia Generalista FIMMG-METIS
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