Ecografia - Principio di funzionamento

Ecografia Ecografia Leval

Ecografia e radiazioni non ionizzanti. Qualità dell'immagine, criteri di progettazione, risoluzione, bioeffetti e danni biologici.

Che cos'è l'ecografia?

L'ecografia è una tecnica diagnostica che realizza immagini del corpo umano utilizzando un'onda che viene riflessa da una discontinuità del mezzo di propagazione e che ritorna all'emettitore con una intensità e ritardo sufficiente per essere percepita. Utilizza radiazioni non ionizzanti.
Per onda si intende il movimento periodico oscillatorio e vibratorio che si propaga in un mezzo con una velocità ben definita. Le onde che si propagano esclusivamente in mezzi diversi dal vuoto sono definite onde meccaniche in quanto per propagarsi sfruttano le proprietà elastiche del mezzo.
Se l'onda meccanica si propaga in un mezzo elastico si parla di onde ultrasonore, onde a bassa energia con poco potere penetrante e quindi non dannose per l'uomo.
Durante il loro cammino le onde ultrasonore incontrano organi differenti i quali, in corrispondenza della loro superficie di separazione, generano degli echi ovvero onde di energia acustica riflessa in direzione della sorgente. Gli echi sono modulati dalla geometria e dall'impedenza degli organi che li hanno generati.
Blocchi funzionali che costituiscono l'apparecchiatura e tecnologia di base dell'indagine diagnostica
Un’onda sonora di frequenza sufficientemente elevata può essere utilizzata come un efficiente mezzo di indagine nella rilevazione della struttura interna del corpo umano; le dimensioni delle più piccole strutture evidenziabili sono legate alla lunghezza d’onda impiegata e quest’ultima dipende dalla frequenza e dalla velocità di propagazione dell’onda nel mezzo in esame. Si ha:
λ = c/f
dove:
λ = lunghezza d’onda (m)
c = velocità nel mezzo (m/s)
f = frequenza (c/s)

Similmente a quanto accade nel caso ottico, un’onda ultrasonora che attraversa la zona di separazione fra due mezzi aventi impedenza acustica diversa è soggetta ad un fenomeno di riflessione e di rifrazione. Le componenti riflesse, opportunamente rilevate, forniscono un’indicazione sulla struttura dei tessuti attraversati dall’onda ultrasonora.

Lo schema più semplice di un tomografo ad ultrasuoni è composto da 4 componenti:
 
- un TRASDUTTORE, l'elemento generatore e ricevitore della radiazione ultrasonora;
- un GENERATORE DI IMPULSI, che invia eccitazione elettrica alla sonda;
- un ELABORATORE DI SEGNALI, che amplifica ed elabora il segnale costituito dall'eco riflesso;
- un MONITOR, sul quale viene presentato il risultato dell'elaborazione.

Il cuore dell'ecografia ad ultrasuoni è il trasduttore piezoelettrico, realizzato con ceramiche piezoelettriche (piezoceramiche PZT) è l'elemento generatore e ricevitore della radiazione ultrasonora.
Il trasduttore è posto sulla pelle del paziente in modo tale da assicurare un buon contatto acustico; al trasduttore vengono quindi inviati degli impulsi elettrici che fanno si che esso generi una successione di treni d’onda di frequenza pari alla frequenza di risonanza meccanica del trasduttore (PRF).
L’onda elastica così generata si propaga attraverso i tessuti ed è parzialmente riflessa dalle discontinuità incontrate lungo il percorso; le componenti riflesse ritornano verso il trasduttore stesso e sono rilevate con un certo ritardo rispetto all’istante di emissione dell’onda ultrasonora.
Dalla misura di tale ritardo è possibile risalire alla distanza delle discontinuità dal trasduttore e realizzare quindi una rappresentazione della struttura sottostante la zona esaminata.
Il trasduttore si può considerare come un dispositivo con un ingresso elettrico e un'uscita acustica e data la presenza di elementi risonanti il suo comportamento è assimilabile a quello di un filtro passa banda. In effetti nella diagnostica medica la caratteristica più importante per un trasduttore è la sua larghezza di banda ovvero la sua attitudine a riprodurre il più fedelmente possibile un segnale elettrico in un acustico.
Visto che la formazione dell'immagine ecografica è fondata sulla diversità di risposta di ciascun organo rispetto agli ultrasuoni a causa dei loro diversi valori di impedenza acustica caratteristica e relativamente bassa (Z=ρ*c=1,5 kg/m²*s), è praticamente impossibile riuscire a fare un adattamento totale del trasduttore. Quanto più ci si avvicina a questa condizione, ovvero tanto più il valore del coefficiente di trasmissione t si avvicina ad 1 tanto meno il sistema sarà risonante e quindi presenterà un'elevata larghezza di banda.
All'interno del trasduttore, come accennato prima, è presente un cristallo piezoelettrico ovvero capace di fornire una differenza di potenziale quando sollecitato meccanicamente. In pratica è in grado di deformarsi se sottoposto ad un campo elettrico presente in natura in alcuni quarzi ed è un fenomeno inducibile artificialmente in materiali ceramici (PZT, materiale ad alta anisotropicità).
La superficie posteriore del materiale ceramico è generalmente a contatto con una mescola di resine epossidiche e polvere di metallo di elevata densità che presenta un'impedenza acustica ρc*Cb molto più vicina a quella della ceramica.
Dato l'elevato coefficiente di attenuazione di queste mescole, l'energia acustica immessa nel materiale (backing) viene completamente assorbita. Infatti il backing, deve garantire lo smorzamento delle oscillazioni del piezoelemento.
La superficie anteriore del PZT invece, è in contatto con i tessuti tramite una piastra di resina epossidica anch'essa caricata mediante polveri metalliche di spessore pari a lamba/4. Questa piastra, chiamata “matching layer” si comporta come un adattatore di impedenza per cui se ha un'impedenza acustica appropriata si riesce a garantire la condizione di minima riflessione e che la trasmissione dei segnali meccanici ed elettrici tra sorgente e mezzo sia efficace. Per fare in modo che il coefficiente di trasmissione tra sorgente e mezzo sia il più elevato possibile, mantenendo larga la banda passante, è possibile utilizzare uno o più matching layer tenuti insieme da un collante, il cui spessore ha la sua impedenza, da cui la necessità di avere la banda passante più ampia possibile.

I trasduttori sono adoperati per due diversi usi: emissione di fascio continuo o emissione di impulsi.
Nel primo caso si invia al cristallo una tensione alternata alla sua frequenza di risonanza così da metterlo in vibrazione continua: in questo caso bisogna disporre un altro cristallo per la ricezione del fascio ultrasonoro. Questo sistema viene utilizzato nelle apparecchiature Doppler per la misura del flusso dei vasi o del battito cardiaco fetale ed in encefalografia, per individuare la linea mediana del cervello.
Se invece si sollecita per esempio il cristallo con un impulso elettrico pari a circa 10 microsecondi, esso emetterà onde ultrasonore solo per un breve periodo, per poi tornare alle dimensioni iniziali, rendendo così disponibile alla ricezione di vibrazioni meccaniche, che trasformerà in variazioni di tensione. La funzione di ricevitore è attivata nell'intervallo che intercorre tra due impulsi elettrici.
Le relative ampiezze di questi impulsi sono determinate dalle impedenze caratteristiche Zt , Zb e Z1 rispettivamente del trasduttore, del mezzo e del carico. I due impulsi diretti e inversi viaggiano dentro il trasduttore e sono trasmessi dalle facce del trasduttore.

Le sonde si possono classificare in meccaniche (rotazione del piezoelemento) e a schiera (piezoelementi fissi più eccitazione temporizzata di ciascuno di essi: sequenziale o a sfasamento).

Rappresentazione A-mode (Amplitude-mode)

In tale sistema si ha una semplice rappresentazione dell’ampiezza dei segnali rilevati dal trasduttore nei confronti del tempo. L'esplorazione è effettuata lungo una sola linea e sullo schermo la rappresentazione non ha carattere di immagine, ma consiste in un grafico dove compare un insieme di impulsi, di base e altezza (ampiezza) più o meno ampia, ordinati secondo l'asse dei tempi di un oscilloscopio. Le tracce verticali sullo schermo rappresentano le ampiezze dell'impulso emesso e riflesso e dalla posizione degli impulsi è possibile risalire alla struttura interna del tessuto esaminato, oltre che alla distanza in mm tra il trasduttorre e l'ostacolo, che può essere calcolata valutando la distanza in μs tra due echi e applicando la formula L=c*t/2 (ricordiamo che alla base dell'A-mode vi è il sonar).

Rappresentazione in M-mode (time Motion mode)

Si tratta di una semplice estensione del concetto di B-mode, infatti la rappresentazione M-mode, dove M sta per “motion”, consiste nella storia temporale delle posizioni occupate da riflettori in movimento. È una rappresentazione real-time che fornisce informazioni solo geometriche relative ad un'unica linea di vista e non fornisce informazioni sull'anatomia dell'organo, ma solo della storia temporale lungo la linea scelta. In questa rappresentazione le variazioni di ampiezza corrispondenti agli echi di ritorno vanno a modulare la luminosità di una linea verticale che si muove con velocità costante da un lato all’altro di uno schermo oscilloscopico a lunga persistenza.
Tale metodo viene sempre usato insieme al tracciato B-mode per compiere misure dimensionali e in particolare si presta molto bene alla visualizzazione di organi in movimento (tipicamente valvole cardiache, ecc.), per i quali è possibile avere una rappresentazione delle posizioni via via occupate nei diversi istanti.

Rappresentazione in B- brightness-mode

Sull'A-mode si fonda la costruzione della rappresentazione a carattere di immagine nota con il termine B-mode, dove B sta per brightness, ovvero brillanza.
L'immagine in B-mode è costruita mediante una serie di variazioni della brillanza, cioè mediante una scala di grigi, lungo la direzione di scansione. La brillanza del punto sullo schermo è rappresentativa dell'ampiezza dell'eco, la sua posizione di coordinate x,y sullo schermo rappresenta la posizione del punto, dal quale l'eco proviene.
Tale metodo consente di ottenere un’immagine bidimensionale, combinando le informazioni relative a diverse posizioni del trasduttore. Il trasduttore è sospeso ad una struttura snodabile che ne consente il posizionamento in ogni direzione; un opportuno sistema di trasduttori di posizione fornisce al sistema tutte le informazioni necessarie all’identificazione della direzione e della posizione della linea lungo la quale avviene l’esplorazione.
Memorizzando tutte le informazioni relative alle posizioni e all’ampiezza degli echi rilevati, è possibile ricostruire per righe l’immagine della struttura.
Le metodiche applicate alla valutazione dell'aspetto fluidodinamico, ovvero per le patologie legate al sistema circolatorio, sono abbastanza semplici in quanto lo spostamento di frequenza può essere determinato da un movimento di tessuti, di organi oppure dal flusso sanguigno. Il rilevamento viene effettuato misurando la differenza di frequenza tra il segnale trasmesso e il segnale riflesso.
Il segnale f misurato cade nella banda audio ed è pertanto possibile ascoltarlo direttamente previa opportuna amplificazione.

Metodiche di indagine diagnostica per la valutazione dell'aspetto fluidodinamico (legate al fenomeno dell'effetto Doppler)

Doppler continuo (CW)

Utile per la misura della velocità del sangue nei vasi grossi. Utilizza due trasduttori Tx e Rx che agiscono contemporaneamente. Con questa modalità si hanno i seguenti vantaggi: misurare anche velocità elevate senza aliasing, la frequenza di emissione elevata (PRF) risulta avere un ottimo rapporto segnale/rumore, alta sensibilità a tutti i flussi di tessuti esaminati. Lo svantaggio del metodo è che non è in grado di localizzare la profondità del segnale che ritorna alla sonda e somma tutti gli echi di ritorno dai vasi dalle diverse profondità;

Doppler pulsato (PW)

specifico per la misura della velocità del sangue in volumi localizzati di piccole dimensioni e per strutture profonde. La frequenza degli impulsi è determinante nel calcolo della velocità massima rilevabile: maggiore è la PRF, maggiore sarà la velocità calcolabile all'interno di un vaso. Impiega un solo piezoelemento da utilizzare alternativamente come Tx o Rx. Può causare aliasing;

Color doppler

è un doppler pulsato molto utile per la visualizzazione del campo fluidodinamico in un certo tratto del sistema circolatorio. Fornisce una stima della velocità media del flusso nel vaso con una codifica a colori e la sovrappone all'immagine in scala di grigi. Le informazioni che si ottengono con il color doppler sono: la presenza del flusso ematico, la direzione del flusso, la velocità e il tipo di moto laminare o turbolento.

Elaborazione del segnale (ECO), criticità in termini di qualità dell'immagine e criteri di progettazione

Gli echi di ritorno ottenuti dai differenti tipi di trasduttori vengono elaborati in vario modo per ottenere immagini monodimensionali e bidimensionali. Poiché i segnali captati sono molto piccoli, è necessario che essi attraversino un amplificatore per divenire rappresentabili; esso è caratterizzato da un guadagno, calibrato in dB che può essere variato mediante un “general gain control”. Occorre poi agire sugli echi più profondi per riportarli ad ampiezze che rendono possibile la loro rappresentazione accanto a quelli più vicini. Il controllo di guadagno che tiene conto della distanza del trasduttore dalle superfici in esame è il “time gain compensation”: esso assegna agli echi provenienti da superfici di separazione più profonde un guadagno maggiore rispetto a quello assegnato agli echi relativi a superfici prossime al trasduttore e controbilancia così l’aumento di attenuazione del segnale, sia diretto che riflesso, che dipende dalla profondità, dal tipo e dal numero di strutture attraversate. Nello stesso tempo, diverrà necessario riportare gli echi più vicini a valori proporzionali a quelli degli echi più distanti, diminuendone l’ampiezza per mezzo di un controllo indicato come “guadagno vicino (near gain)” o “soppressione agli echi vicini (bear suppression)”.

Altri controlli utili per il miglioramento qualitativo dell’immagine sono quelli di “reject” e di “dinamic range”. Il “reject” permette di cancellare tutti gli echi al di sotto di un livello prefissato, eliminando quindi gli echi dovuti al rumore di fondo degli amplificatori a radio frequenza che trattano il segnale. Il “range” dinamico condiziona la qualità dell’immagine bidimensionale, determinando la presenza di tonalità più o meno vaste di grigi. La così detta rappresentazione in scala dei grigi è funzione del range dinamico del sistema di ricezione-amplificazione-rappresentazione. Il range dinamico relativo allo schermo di rappresentazione è il rapporto in dB, tra la tensione che produce il puntino più luminoso e quella che produce un puntino appena visibile.
Nonostante le limitazioni imposte dal rumore e dalla massima potenza di trasmissione, il massimo range dinamico utilizzabile per gli echi ricevuti in un sistema impulsato per applicazioni di tipo medico-diagnostico è di circa 100 dB. Esso è suddiviso tra le variazioni di ampiezza degli echi ad una distanza fissa e l’attenuazione dovuta alla distanza del trasduttore. Per un fissato range, la variazione di ampiezza di un’eco massima possibile è di 30 dB, per cui 70 dB sono utilizzati per
compensare le varie attenuazioni.

Risoluzione

Si definisce risoluzione la distanza minima tra due punti che è possibile rappresentare sullo schermo. Ai fini dell'ecografia è la capacità della sonda di rappresentare piccoli particolari e di risolvere i dettagli.
Per avere un elevato potere risolutivo l'ecografo deve lavorare a frequenze elevate e ciò comporta che la radiazione ultrasonora, che dovrebbe rimanere il più possibile costante nella direzione di propagazione, subisce maggiore attenuazione. Nel caso di indagini a piccole profondità ciò permette di effettuare delle buone indagini diagnostiche.
A seconda che si consideri l’asse del fascio ultrasonoro oppure la direzione perpendicolare a tale asse, si parla di risoluzione assiale, relativa ai due oggetti che si trovino l’uno di seguito all’altro lungo l’asse del fascio, e di risoluzione laterale, inerente a due oggetti giacenti su un piano normale al fascio stesso.

La risoluzione assiale dipende dalla lunghezza d’onda del fascio utilizzato, dallo smorzamento delle oscillazioni del piezoelemento, dalle caratteristiche del circuito che genera l'impulso e lo riceve e dalle caratteristiche della sonda. Due oggetti lungo la direzione di propagazione, se posti ad una distanza inferiore a
d=(c*Δt)/2 = 0.75*Δt (Δt= durata dell'impulso)
non possono essere distinti e quindi rappresentati sullo schermo. L'impulso deve essere il meno possibile esteso nello spazio per avere un migliore potere risolutivo assiale, pertanto per incrementare la risoluzione assiale si può agire diminuendo il numero di cicli utili (con forte smorzamento) oppure si può incrementare la frequenza, che come detto precedentemente, garantisce alta risoluzione a piccole profondità.

La risoluzione laterale, dipende dalla geometria del trasduttore, dalla frequenza centrale del piezoelemento e dalla focalizzazione meccanica ed elettronica. In particolare è inversamente proporzionale alla lunghezza del fascio, alla frequenza utilizzata e alla distanza alla quale si trovano i due punti nel piano perpendicolare al fascio.

La risoluzione assiale è generalmente migliore di quella laterale; essa caratterizza l’abilità del sistema a separare bersagli spaziali disposti sull’asse ed è definita come il reciproco della durata effettiva dell’impulso ultrasonoro. Occorre ancora ricordare che nel prodursi di ogni immagine ultrasonora, indipendentemente dalla risoluzione dello strumento, entrano in gioco altri fenomeni responsabili degli artefatti quali, ad esempio, il riverbero. Quest’ultimo provoca delle immagini di interfaccia inesistenti, che non sono altro che la ripetizione della prima immagine. Tale fenomeno si verifica con maggiore facilità quando il fascio di ultrasuoni incontra la superficie di separazione di due mezzi ad elevata differenza di impedenza caratteristica.

Eventuali bioeffetti e danni biologici

Nonostante gli ultrauoni per uso diagnostico vantino un'eccellente storia di sicurezza, è da tempo noto che essi, a certi livelli, possono alterare i sistemi biologici.
Si possono definire due meccanismi secondo i quali gli ultrasuoni possono indurre effetti biologici: il meccanismo termico e il meccanismo non termico o meccanico.
I bioeffetti non termici sono causati dall'alternarsi dell'espansione e della contrazione del tessuto che si verifica quando le onde di pressione degli ultrasuoni attraversano o passano vicino a gas. Questi bioeffetti sono noti anche come cavitazione e riguardano la generazione, la crescita, la vibrazione e il possibile collasso di bolle microscopiche all'interno del tessuto. La cavitazione dipende da diversi fattori, quali la pressione e la frequenza degli ultrasuoni, il campo ultrasonoro (focalizzato o non focalizzato, pulsato o continuo), la natura e lo stato del tessuto e degli organi adiacenti.
I possibili bioeffetti meccanici vengono valutati tramite l'indice meccanico (MI), definito come la pressione rarefazionale di picco in Megapascal divisa per la radice quadrata della frequenza centrale della sonda in MHz. La visualizzazione dell'MI aiuta l'operatore a mantenere i possibili bioeffetti meccanici a livello minimo.
Il bioeffetto termico è invece l'aumento di temperatura del tessuto esposto all'energia acustica. L'energia acustica viene assorbita dal tessuto corporeo; l'assorbimento è la conversione di questa energia in calore. Se il deposito di energia in una certa area è superiore alla capacità di dissipazione del calore, si verificherà un aumento di temperatura che dipende dalla quantità di energia, dal volume dell'esposizione e dalle caratteristiche termiche del tessuto.
Ai fini di aiutare l'operatore ad essere a conoscenza delle condizioni che possono provocare un aumento di temperatura in certi casi particolari si usa il cosiddetto indice termico (TI), definito come il rapporto tra la potenza acustica totale e la potenza necessaria per aumentare la temperatura del tessuto di un grado.
Come per l'indice meccanico, gli indici termici svolgono la funzione di indicatori relativi dell'aumento della temperatura: un valore più alto rappresenta un maggiore aumento della temperatura. Tali indici mostrano che esiste la possibilità che la temperatura aumenti e forniscono un ordine di grandezza relativo che può essere utilizzato per applicare il principio ALARA.

Per valutare i possibili effetti del fascio ultrasonoro sul tessuto, si deve calcolare l'intensità rilevata sulla zona interessata del tessuto. La quantità di attenuazione subita dal fascio che attraversa un tessuto corporeo è determinata da 3 fattori:
1. tipo di tessuto attraversato;
2. frequenza del fascio;
3. distanza percorsa.

Criteri di progettazione

In generale, ogni strategia coordinata per una prestazione ottimale dei dispositivi biomedici, è strettamente dipendente dalla progettazione, dalla realizzazione, dall'esercizio e dalla manutenzione.
Il primo ruolo di definizione del grado di affidabilità e di sicurezza di uno strumento biomedicale viene svolto dalla progettazione e dalla realizzazione del macchinario stesso.
La progettazione si basa su criteri di previsione delle prestazioni e delle esigenze del macchinario e quindi in generale si tende a ragionare in termini di maggiorazione. Questo significa procedere con coefficienti maggiorativi di “ignoranza”.
Nella fase progettuale è fondamentale prima di tutto effettuare un' analisi funzionale e di sicurezza dell'impianto elettrico del macchinario, nel caso più generale, nell'ambito delle funzioni individuate, è opportuno fare una valutazione del livello qualitativo di prestazione da garantire nei rispettivi limiti di tolleranza ammissibili.
La verifica della sicurezza elettrica risulta importante non solo per gli utilizzatori ma anche per i pazienti, in quanto i rischi di natura elettrica a cui possono essere sottoposti in caso di contatto diretto o indiretto sono: macroshock e microshock.
Anche nel caso di apparecchiature elettromedicali, i criteri di progettazione devono rispettare le normative sulla sicurezza delle apparecchiature biomediche, identificate dalla legge CEI 62353-1 (ex CEI 62-5).
Queste linee guida definiscono gli aspetti per il mantenimento, la conservazione e l'utilizzo sicuro della strumentazione biomedica nei locali ad uso medico.
Visto che i componenti del macchinario come trasduttori, cavi, tavolo di comando, elaboratore di segnale, monitor sono generalmente prodotti e reperibili in serie standard, non si procede ad un calcolo per la definizione dei parametri di dimensionamento dei componenti, ma ad una individuazione del componente serie che più coordina nel contesto dell'architettura del macchinario.
Si procede cioè ad un assemblaggio dei componenti a mosaico poiché non esistono parametri di dimensionamento realmente indipendenti ma esistono componenti di serie con proprie caratteristiche dimensionali (diceva un detto: Est modus in rebus).
I parametri caratteristici di ciascun componente, (come intensità della radiazione, la sezione dei conduttori, la classe di utilizzo etc.) presentano valori correlati ed attesi. Sulla base della classe di utilizzo e delle condizioni al contorno, se si sceglie un parametro, gli altri assumono valori correlati.
Per quanto riguarda la scelta dei componenti, la strada più efficace è quella che tende a garantire un'elevata sicurezza per l'utilizzatore e al mantenimento delle prestazioni.
A questo punto risulta ovvio, saper coordinare gli stessi componenti al fine di garantire nel tempo le tolleranze stesse.
In conclusione, affinché ciascun componente garantisca il livello di prestazione previsto è indispensabile la coordinata attuazione di una strategia progettuale-esecutiva, senza soluzione di continuità, nella fase gestionale-manutentiva della vita del macchinario, con interventi non solo di riadeguamento ma anche di eventuale correzione delle deviazioni sugli obiettivi previsti e non raggiunti.

Esercizio in sicurezza dell'apparecchiatura

Il problema della sicurezza delle apparecchiature ad ultrasuoni è particolarmente sentito a causa della grande diffusione che tale mezzo di indagine ha avuto negli ultimi anni.
Le lesioni ai tessuti, derivanti dalle sollecitazioni meccaniche ultrasoniche, possono insorgere solo nel caso in cui vengono applicate densità di potenza superiori ad alcuni W/cm² per periodi di tempo di parecchi minuti; l’insorgenza di eventuali lesioni diminuisce con la presenza di ossa interposte.
Poiché i livelli di potenza utilizzati normalmente sono inferiori di diversi ordini di grandezza (max 5 + 10 mW/cm2 ) a quelli esposti, è possibile affermare con relativa certezza che l’impiego delle apparecchiature ad ultrasuoni è da considerare privo di pericoli per il paziente.
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