Formazione dell'immagine in ecografia - ECOGRAFIA

Formazione dell'immagine in ecografia - ECOGRAFIA

L'ecografia è una metodica di indagine che usa radiazioni non ionizzanti, gli ultrasuoni. Essi sono onde meccaniche "elastiche", che hanno una frequenza superiore a 20000 Hz (20000 cicli a secondo) e quindi non percepibili dall'orecchio umano. Si tratta di onde successive di rarefazione e compressione delle particelle di ciascun mezzo attraversato che si propagano longitudinalmente all'interno dello stesso. La dislocazione delle suddette particelle è di frazioni di millimetro mentre la perturbazione arriva a parecchi centimetri.

Gli ultrasuoni interagiscono con i tessuti secondo leggi che ne determinano:

1. la velocità
2. la riflessione
3. la rifrazione
4. la diffusione
5. l'assorbimento
6. l'attenuazione

La velocità di propagazione degli ultrasuoni in un mezzo è data dalla distanza percorsa dall'onda nell'unità di tempo; essa è inversamente proporzionale alla densità ed alla compressibilità del mezzo attraversato. Nell'aria essi si propagano con una velocità di circa 330 m/s, nel grasso 1460 m/s, nell'osso 2700-4100 m/s; nei tessuti biologici, invece, con un valore intermedio fra grasso ed osso pari a circa 1540 m/s.

La riflessione, definita eco, si ottiene quando il fascio incontra due tessuti con differente struttura ed una parte del fascio continua e si trasmette nel mezzo mentre l'altra viene riflessa indietro. L'intensità della riflessione sarà proporzionale alla differenza di impedenza acustica fra i due mezzi e l'angolo di riflessione sarà uguale a quello di incidenza, quindi massimo a 90° gradi. Questo è il principio basilare della diagnostica ecografica.   

La rifrazione è un fenomeno complesso che si verifica sull'interfaccia tra tessuti attraversati dagli ultrasuoni a velocità diverse. La direzione del fascio nel secondo mezzo varia diversamente dal principio della riflessione. Questo principio fisico nella pratica clinica è spesso fonte di artefatti. 

La diffusione si ottiene quando il fascio ultrasonoro incontra una superficie irregolare o di dimensioni inferiori al fascio stesso e viene riflesso in tutte le direzioni. Questo fenomeno contribuisce a delineare la forma degli organi in esame e la trama ecostrutturale di ciascun parenchima.

L'assorbimento è dovuto alle forze di attrito proprie di ogni mezzo con conseguente conversione in calore dell'energia del fascio ultrasonoro.

L'attenuazione, ovvero il decremento della intensità del fascio ultrasonoro nel suo progredire, è in funzione dell'assorbimento, della riflessione e dell'allargamento del fascio. Il fenomeno è direttamente proporzionale alla frequenza del fascio: quindi per analizzare tessuti profondi sono necessarie basse frequenze mentre per tessuti superficiali è possibile utilizzare frequenze elevate con maggiore risoluzione.

L'apparecchio ecografico e' costituito da quattro componenti:

1. un cristallo trasduttore o sonda, che costituisce la componente periferica del sistema che viene posta a contatto con la cute del paziente.
2. un sistema elettronico, costituito da circuiti diversi che pilotano il trasduttore generando
3. l'impulso di trasmissione, ricevono il segnale elettrico prodotto dall'eco di ritorno della sonda, ed amplificano ed elaborano il segnale ricevuto.
4. lo Scan converter, che ha la funzione di memorizzare i dati ottenuti durante la scansione e di convertirli nel formato necessario per rappresentare l' immagine o il tracciato.
5. un sistema di visualizzazione e stampa, costituito da un monitor televisivo, che consente di visualizzare le immagini prodotte ed una stampante che registra le immagini su pellicole radiografiche o su carta.

Nell'esame ecografico per generare gli ultrasuoni, è necessario sfruttare la caratteristica di "piezoelettricità" che hanno alcune sostanze quali ad esempio il quarzo ed il titanato di bario, che consiste nell'applicare una differenza di potenziale agli estremi di un cristallo per ottenere una variazione dimensionale, cioè una vibrazione dello stesso che genererà gli ultrasuoni.

L'ecografia si esegue con una sonda, caratterizzata da una data frequenza legata allo spessore del cristallo contenuto in essa. Quest'ultimo viene eccitato da impulsi elettrici e genererà energia meccanica ossia il fascio di ultrasuoni (effetto piezoelettrico inverso).Tra la sonda e la cute del paziente viene applicato un sottile strato di gel, che serve ad ottimizzare la trasmissione degli ultrasuoni e quindi ad evitare delle dispersioni che si potrebbero creare a livello dell'interfaccia sonda/cute. La stessa sonda, oltre ad emettere gli ultrasuoni, funge anche da sorgente ricevente gli "echi riflessi " nel contesto tissutale che indurranno la deformazione meccanica del cristallo con generazione di impulsi di tensione (effetto piezoelettrico diretto). Questi ultimi costituiscono il punto di partenza per la formazione  delle immagini ultrasonografiche. Successivamente i voltaggi elettrici dei vari echi di ogni linea di scansione vengono digitalizzati, cioè codificati con step numerici discreti da un convertitore analogico-digitale. Ciò serve per poter memorizzare i voltaggi di ogni singola linea man mano che vengono acquisite nuove linee di scansione, permettendo così la rappresentazione bidimensionale dell'intera regione di scansione.

I trasduttori possono essere distinti in:

1. lineari
2. settoriali
3. convex
4. anulari
5. biplanari.
6. endocavitari   

Ogni tipo di trasduttore può avere forma e frequenza diverse, in modo da poter essere utilizzato in studi di organi diversi. Oggi, infatti, i più moderni ecografi permettono di modulare a proprio piacimento la frequenza degli ultrasuoni emessi dalle singole sonde, in modo da poter ottenere delle immagini maggiormente definite in relazione alla profondità dell'organo da esaminare, per esempio utilizzando frequenze più alte per strutture superficiali o più basse per organi profondi.

Il trasduttore lineare è costituito da un insieme di cristalli ravvicinati che entrano in funzione successivamente in tempi diversi. Offrono una immagine rettangolare che se da un lato consente una migliore visione delle strutture più superficiali, dall'altro presenta una finestra poco ampia per le strutture più profonde. Il trasduttore, che può essere usato su sonde endocavitarie ed in ecografia intraoperatoria, può presentare una manovrabilità limitata in alcune zone corporee poco accessibili a causa delle sue dimensioni.

Il trasduttore settoriale offre una immagine triangolare o trapezoidale molto ampia soprattutto alle distanze medie e profonde. Si dividono in meccanici ed elettronici. Nei meccanici un motorino miniaturizzato fornisce al cristallo un movimento circolare o di pendolazione di tipo ritmico. Ogni trasduttore ha un solo cristallo e quindi una sola frequenza e di conseguenza deve essere cambiato in ragione dell'esame che si vuole eseguire. Queste sonde presentano lo svantaggio di rompersi facilmente e sono relativamente pesanti. I trasduttori settoriali di tipo elettronico hanno un fascio ultrasonoro che viene modificato nella sua direzione elettronicamente eliminando così lo svantaggio dello spostamento meccanico del cristallo mediante l'attivazione sequenziale e ritardata dei vari cristalli miniaturizzati che determina l'angolazione del fascio.

I trasduttori di tipo convex sono un compromesso tra i due tipi sopra indicati. Sono i trasduttori oggi più usati negli esami ecografici addominali ed hanno una finestra acustica aperta sia a livelli molto superficiali che più profondi.

I trasduttori con cristalli anulari permettono di ottenere un fascio con focalizzazioni a vario livello, in quanto costituito da cristalli concentrici, ognuno con una focalizzazione caratteristica.

I trasduttori biplanari, sono utilizzati per lo studio endorettale della prostata e del retto stesso e permettono di eseguire scansioni su due piani senza spostare la sonda stessa.

Infine esistono le sonde endocavitarie, quali la endovaginale o la endorettale, che consentono una risoluzione maggiore delle strutture contigue rispetto alle sonde di superficie, ed il cui uso è largamente diffuso per esempio per la valutazione del grado di infiltrazione neoplastica nello spessore della parete dei visceri.

Come già detto, l'immagine ultrasonografica è in funzione del tipo di tessuto esaminato: quando un'onda ultrasonora incontra un'interfaccia che separa due mezzi a struttura diversa, con densità ed impedenza acustica differenti, parte dell'energia viene riflessa indietro verso il trasduttore e si otterranno degli echi, e parte si trasmette al mezzo sottostante. Da ciò deriva che diversa sarà l'immagine, e quindi gli echi che sono usati per la sua interpretazione, in dipendenza della diversità di tessuti e di interfacce  che gli ultrasuoni attraverseranno.

Per questi motivi  l'aria e l'osso, per la loro alta reflettività attenuano in superficie la gran parte dell'energia del fascio producendo, nei tessuti sottostanti, un caratteristico "cono d'ombra" e quindi sono di ostacolo all'esame ecografico.

Per cui si parlerà di struttura anecogena, cioè priva di echi interni, ed apparirà nera; di struttura ecogena, e quindi capace di produrre degli echi, ed apparirà bianca, ed ancora, rispetto ad una struttura di riferimento, di strutture iper-ipo od isoecogene.

Se consideriamo una formazione a contenuto fluido interno, come in una cisti, avremo una buona trasmissione delle onde e la parte posteriore sarà ben visibile e di colore bianco, mentre la parte interna apparirà parzialmente anecogene e quindi di colore nero.

Il radiologo cerca sempre, attraverso un opportuno orientamento del trasduttore, di realizzare una situazione di ortogonalità per ottenere una frazione riflessa massima, ma non sempre è possibile perché nel tragitto degli ultrasuoni si potrebbero interporre strutture  aeree e ossee. Per questo la pratica ha indotto ad individuare, nello studio di ciascun organo profondo, siti di accesso non comportanti l'attraversamento delle strutture suddette che prendono il nome di finestre acustiche. Un esempio è dato dal fegato per il rene destro, o dalla milza per il rene sinistro, o dalla vescica per l'utero.

Esistono in ecografia tre schemi di rappresentazione del segnale ecografico.

A-MODE: ( modulazione di ampiezza ) il modo più semplice di rappresentare il segnale ecografico, ossia l'energia ultrasonica riflessa viene evidenziata sottoforma di picchi di ampiezza proporzionale alla riflessione (oscilloscopio).

B-MODE: la classica immagine ecografica, ovvero la rappresentazione su un monitor televisivo degli echi provenienti da una sezione del corpo attraversata dal fascio di ultrasuoni. Ogni eco è rappresentato come un punto luminoso la cui tonalità è direttamente proporzionale all'intensità dell'eco stesso. Sullo schermo compare l'immagine dell'organo in esame.

TM-MODE: questo tipo di tracciato è molto diffuso in cardiologia è simile all'A-MODE con la differenza che viene registrato anche il movimento dell'eco. Questo  consente di riportare su diagrammi la dinamica di strutture in rapido movimento.

Lo studio ecografico può essere affiancato da quello Doppler e quindi parleremo di eco-doppler.

Nel Doppler l'onda ultrasonora riflessa da una struttura in movimento ha frequenza minore o maggiore rispetto a quella dell'onda incidente a seconda che la struttura si muova allontanandosi o avvicinandosi al trasduttore. Dall'angolo di incidenza e dalla variazione assoluta di frequenza dell'onda riflessa  è possibile calcolare la velocità di movimento della struttura bersaglio. Nella pratica, quando le misurazioni sono effettuate su vasi sanguigni, le frequenze riflesse sono distribuite in uno spettro più o meno ampio e sono costituite da suoni udibili dall'operatore dopo opportuna amplificazione. In questo modo possiamo acquisire indicazioni sulla presenza, sulla direzione e sul tipo di flusso (arterioso, venoso, laminare, turbolento) e determinare attraverso appositi programmi di calcolo degli indici per la caratterizzazione del flusso.

I segnali Doppler possono venir rappresentati in tre modi:

sotto forma di suoni, le cui variazioni in frequenza nel tempo sono direttamente correlate alla velocità dei globuli rossi nel vaso esplorato;

sotto forma di diagrammi, in grado di rappresentare visivamente le variazioni di frequenza delle onde ultrasonore nel tempo, la direzione del flusso ematico esplorato e l'intensità del segnale stesso;

sotto forma di mappe colorate, sovraimposte alla convenzionale immagine ecotomografica, che rappresentano i parametri di flusso misurati all'interno del vaso e cioè variazioni di frequenza del segnale, direzione di flusso, modificazioni temporali.

Con questa tecnica, pertanto, si evidenziano insieme sia caratteristiche morfologiche del vaso in esame (mediante l'immagine ecografica) che gli aspetti funzionali dello stesso (le caratteristiche di flusso al suo interno).

Esistono diversi metodi di campionamento Doppler :

1) Doppler CW (ad onda continua). Si avvale di due gruppi di cristalli, di cui uno emette continuamente un segnale ultrasonico, mentre l'altro assolve la funzione di ricevere gli echi di ritorno. Questo tipo di analisi non discrimina la profondità da cui provengono i riflessi ma e' in grado di rilevare la presenza di  flussi lenti e di piccola entità, e di dare una notevole precisione circa le misure delle alte velocità.E' una metodica impiegata nello studio dei flussi nei tronchi sopraortici, nei vasi periferici arteriosi e venosi.

2) Doppler PW (ad onda pulsata). Si avvale di un trasduttore che funziona alternativamente da emettitore e da ricevitore, è in grado di  discriminare la profondità da cui provengono i riflessi.

3) Doppler HPRF (ad alta ripetizione di impulsi). E' un doppler ad alta frequenza di  ripetizione

di impulsi, che permette di aumentare il limite della  massima velocità misurabile, ottenendo cosi

una riduzione delle "aliasing" (artefatto del PW).

4)Dual Vector Doppler. E' un doppler che ha sviluppato la metodica del doppler PW.

5)Eco-color-doppler. Tramite macchine sofisticate permette la codificazione dell'immagine tramite colore rosso se il flusso è diretto verso il trasduttore, blu se si allontana e con una tonalità di luminosità correlata alla velocità del flusso. Lo studio eco-doppler o eco-color-doppler consente non solo la valutazione del flusso vasale, ma anche lo studio della vascolarizzazione delle lesioni focali.

6)Power Doppler. E' una metodica che analizza l'intensità delle frequenze doppler. Tale metodica è sensibile nel rilevare la presenza di minimi flussi ma presenta lo svantaggio di non fornire informazioni sulla direzione del flusso stesso.

Quindi e tecniche Doppler sono anch'esse basate sull'utilizzo di fasci di ultrasuoni. Invece di analizzare posizione spaziale ed intensità delle riflessioni del fascio al fine di costruire immagini, queste valutano le variazioni in frequenza che il fascio subisce al momento in cui incontra una struttura in movimento; specificatamente, i globuli rossi all'interno dei vasi.

Il medico specialista radiologo ha, per cultura e bagaglio professionale, la capacità di utilizzare plurime e diverse tecniche di indagine per esaminare i propri pazienti. Ha obbligo di legge di valutare la congruità della richiesta di esame inviatagli dal medico curante e di scegliere, a fronte della stessa, gli strumenti più idonei a rispondere al quesito clinico postogli, tenendo in primo luogo conto della necessità di utilizzare, se clinicamente appropriate e indicate, le tecniche di indagine che non impiegano radiazioni ionizzanti.

I vantaggi dell'ecografia sono:

1. basso costo di acquisizione e manutenzione della apparecchiatura
2. maneggevolezza nel trasporto ed ubiquitarietà1
3. non invasività
4. mancata esposizione a radiazioni
5. possibilità d'uso in bambini e donne gravide
6. visione dinamica delle strutture in esame
7. possibilità di esecuzione di biopsia mirata

I limiti sono:

1. metodica operatore-dipendente
2. impossibilità del fascio ultrasonografico ad attraversare strutture contenenti aria (polmone) od ossa
3. dipendenza della risoluzione dell'immagine dalla profondità (in un obeso la qualità dell'immagine non è ottimale), dalla collaborazione del paziente, da una adeguata preparazione
4. difficoltà nell'esaminare pazienti nell'immediato post-operatorio per la presenza di drenaggi e medicazioni
5. campo di vista ridotto con difficoltà nello studio di masse voluminose.

DOMANDE

Che cosa sono gli ultrasuoni?

Come si generano gli ultrasuoni in ecografia?

Quali sono i componenti dell'apparecchio ecografici?

In quanti modi si può rappresentare l'immagine ecografica?

Che cos'è un trasduttore?

Che cos'è uno scan converter?

Qual è la velocità di propagazione degli ultrasuoni?

Quali sono le interazioni degli ultrasuoni con la materia vivente?

Cosa si intende per riflessione?

Cosa si intende per rifrazione?

Quando si ottiene la diffusione?

A cosa è dovuto l'assorbimento?

Cosa condiziona la attenuazione?

Come funzione la sonda ecografia?

Per quale motivo è possibile cambiare la frequenza di una sonda?

Come si ottiene l'immagine ecografia?

Che significato hanno il colore nero e bianco in ecografia?

L'ecografia offre una visione statica o dinamica delle strutture in esame?

Quali tessuti non possono essere esaminati in ecografia?

Come appare una cisti in ecografia?

Che cos'è l'effetto piezoelettrico inverso?

Che cos'è l'effetto piezoelettrico diretto?

Che cos'è una finestra acustica?

Un esempio di finestra acustica.

Quali sono i vantaggi dell'ecografia?

Quali sono i limiti dell'ecografia?

Come viene rappresentato il segnale ecografici in A-Mode?

Come viene rappresentato il segnale ecografici in B-Mode?

Come viene rappresentato il segnale ecografici in TM-Mode?

Che cos'è l'effetto doppler?

Cos'è una sonda lineare?

Cos'è una sonda convex?

Cos'è una sonda settoriale?

Cos'è una sonda endovaginale?

Cos'è una sonda biplanare?

Cos'è una sonda anulare?

Cos'è una sonda endocavitaria?

Cos'è il doppler CW?

Cos'è il doppler PW?

Cos'e il doppler HPRF?

Cos'è il doppler DVD?

Esistono Mdc ad uso ecografico?

Che cos'è l'eco-color-doppler?

Cos'è il Power Doppler?