Appunti di Strumentazione biomedica

D

compreso tra pochi Hz ed

alcune migliaia di Hz, per cui è

nella banda audio dell’orecchio

umano.

I velocimetri Doppler possono essere apparati: ad onda continua (CW) o ad onda pulsata (PW); i

metodi di rilevazione e valutazione possono essere: interpretazione sonora; analisi della forma

d’onda analitica; analisi spettrale; “imaging”. Negli apparati CW il trasduttore è costituito di 2

cristalli montati sullo stesso supporto, uno continuamente emittente e l’altro continuamente

ricevente, ed emette un’oscillazione costante. Consente uno studio morfodinamico, ovvero della

morfologia e del movimento, dei flussi. Negli apparati PW l’emissione è fasica, in relazione alla

funzione alternata

trasmettitore/ricevitore di un unico

cristallo; questo sistema permette di

ottenere informazioni anche sulla

distanza rispetto alla superficie

riflettente/trasduttore. Gli apparecchi

ad emissione pulsata possono essere

di due tipi differenti: i Color Doppler

e gli Eco-Color Doppler (detti anche

duplex).

I sistemi a onda continua utilizzano la trasmissione e la ricezione continua degli ultrasuoni. I segnali

Doppler sono ottenuti da tutti i vasi nel percorso del fascio di ultrasuoni, fino a quando il fascio non

diventa sufficientemente attenuato a causa della profondità. L’ecografia Doppler CW non è in grado

di determinare la posizione specifica della velocità all’interno del raggio e non può essere utilizzata

per produrre immagini Color Doppler. I sistemi Doppler CW sono relativamente economici; vengono

utilizzati anche nelle indagini ecocardiografiche per studiare le velocità nell’aorta.

Per descrivere la forma d’onda del

flusso si va da indici di flusso sistolico

a diastolico; tutti gli indici sono

progettati per descrivere la forma

d’onda in modo quantitativo, di solito

come guida per un qualche tipo di

classificazione. In generale, sono un

compromesso tra semplicità e quantità

di informazioni ottenute.

Indice di pulsatilità (PI) (Gosling):

(PSV-EDV)/TAV

Indice resistivo (RI) (Pourcelot):

(PSV-EDV)/PSV

PSV è la velocità sistolica di picco,

EDV velocità diastolica finale, TAV

velocità media nel tempo. Generalmente, una forma d’onda a bassa pulsatilità è indicativa di bassa

resistenza distale e forme d’onda ad alta pulsatilità si verificano nei letti vascolari ad alta resistenza.

Alterazioni della frequenza cardiaca possono alterare la forma d’onda del flusso e causare

cambiamenti significativi nel valore degli indici.

L’ecografia Doppler in generale e, soprattutto in ambito ostetrico, utilizza gli ultrasuoni a onde

pulsate: essi consentono misurazioni della profondità della regione in cui si misura il flusso; inoltre, è

possibile modificare la dimensione della regione di osservazione (gate).

Emette impulsi periodici sinusoidali (o sinusoidali smorzati) di ultrasuoni ed è caratterizzato da

frequenza di ripetizione (repetation rate) (10-20 kHz), frequenza di oscillazione dell’US (4-8 MHz);

inviluppo dell’impulso (definisce ampiezza e durata). Un vantaggio è che permette di “sonificare”

voxel (unità di volume) relativamente piccoli.

Il volume di misura (gate) nel Doppler PW è individuato dalle distanze dal trasduttore I e I ; grazie

1 2

al volume di misura, contrariamente a quanto accade per il CW, il PW consente di distinguere la

profondità di provenienza degli echi prodotti nella regione di osservazione.

La massima profondità di esplorazione d è vincolata dalla frequenza di ripetizione f ; per il

max 0

teorema di Shannon la massima profondità misurabile risulta:

I sistemi a onde pulsate soffrono di una

limitazione fondamentale: quando gli impulsi

vengono trasmessi a una data frequenza di

campionamento (nota come frequenza di

ripetizione dell’impulso, PRF), la massima

frequenza di Doppler f , che può essere misurata

D

in modo univoco, è metà della PRF. Se la velocità

del sangue e l’angolo raggio/flusso misurati si

combinano per fornire un valore f maggiore della metà della PRF, si verifica aliasing.

D

Il color Doppler o Color Flow Mapping, introdotto nel 1986, è un sistema duplex basato sul Doppler

PW, dove il flusso è rappresentato a colori; consente l’acquisizione di informazioni qualitative della

velocità del flusso e della sua direzione all’interno della sezione anatomica bidimensionale,

permettendo di combinare in tempo reale informazioni integrabili sulla funzione della struttura e

sulla velocità del flusso sanguigno. Le informazioni vengono codificate in un colore rosso se il flusso

è anterogrado, in blu se retrogrado con una tonalità di brillantezza relativa alla velocità del flusso

stesso. Questi apparecchi sono diventati oggi talmente sofisticati da riconoscere anche i flussi più

lenti ed i vasi più sottili.

La Power Doppler misura l’energia di

una banda di shift Doppler; segnale

più sensibile (velocità più basse); ma

non fornisce alcuna informazione

sulla direzione del flusso.

(Approfondimento)

I mezzi di contrasto sono impiegati per meglio valutare vasi o cavità, per migliorare la sensibilità

delle metodiche Doppler e per ottenere una migliore discriminazione tra tessuti normali e patologici.

Sono costituite da microbolle contenenti gas e circondate da membrane stabilizzanti. Mezzi di

contrasto di II generazione: SonoVue, Echogen, Optison, Imavist, Definity, Sonazoid. Diametro: 1-

10 μm, persistenza: min-ore, gas: aria o gas ad alto peso molecolare, guscio:

albumina/lipidi/polimeri, spessore guscio: 5-500 nm,

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concentrazione 1-5x10 bolle/ml.

Alti MI rompono il guscio della bolla

Il segnale di ritorno nell’Imaging armonico (C) è costituito dalla

frequenza trasmessa (A) e dal segnale armonico (B), con

frequenza doppia rispetto ad A. I sistemi US dotati di Contrast

Processing sono in grado di analizzare i due segnali

separatamente.

Tecniche di filtraggio del segnale:

Pulse inversion imaging

L’impiego dei mezzi di contrasto nella pratica clinica permette: una valutazione, non invasiva, della

distribuzione del circolo e microcircolo coronarico nel miocardio o perfusione miocardica; uno

studio dei grossi vasi in associazione alle metodiche Doppler; studio del microcircolo; diagnosi delle

lesioni focali epatiche; diagnosi di lesioni focali presenti in altri organi quali: prostata, mammella,

rene, ovaie, milza e linfonodi; in particolare con le tecniche in real-time è possibile studiare nella

fase di distribuzione arteriosa epatica la presenza di lesioni ipervascolari, come gli epatocarcinomi.

L’ecografia con mdc in tempo reale può costituire una valida metodica diagnostica da impiegare in

radiologia d’urgenza; l’ecografia con mdc permette un risparmio di tipo economico, soprattutto

rispetto all’esame RM, e di tipo biologico rispetto all’esame TC.

SB 20

Dispositivi cardiaci per la rianimazione: rientrano in questa categoria, dispositivi di stimolazione

cardiaca utilizzati per la rianimazione, il pacemaker ed il defibrillatore. L’elettrostimolazione

cardiaca ha oggi assunto un ruolo fondamentale nella terapia di malattie cardiache, ed è molto

diffusa; l’ampia diffusione è stata possibile grazie all’evoluzione delle tecnologie elettroniche:

assorbimento di corrente molto basso, alto grado di miniaturizzazione, possibilità di utilizzare

materiali biocompatibili.

Il pacemaker trova impiego clinico in tutte le forme di blocco o di depressione del sistema di

conduzione dell’impulso elettrico; è un generatore di impulsi elettrici di opportuna durata, ampiezza

e frequenza. Dal punto di vista della strumentazione, è un oscillatore elettronico capace di produrre

impulsi elettrici autonomi. Il pacemaker asincrono è un tipo di pacemaker che non tiene conto

dell’eventuale normale attività cardiaca; genera impulsi elettrici a frequenza costante; non tiene

conto di ciò che accade nel cuore o nel resto del corpo; sviluppato a metà del XX secolo; la

frequenza degli impulsi è stabilita da un oscillatore. Fattori di longevità di un pacemaker: tipo di

batteria, ampiezza dell’impulso, durata dell’impulso (energia erogata per ogni impulso), impedenza

elettrodo, frequenza di stimolazione, tempo percentuale di stimolazione, consumo dei circuiti. In

genere il tempo di vita medio è compreso fra 7 e 12 anni.

Il pacemaker è composto da un circuito elettronico per

generare impulsi, una batteria ed elettrocatetere/i.

Pulse generator: si tratta di un multivibratore, un circuito

che, ogni volta che al suo ingresso si ha una rapida

variazione di tensione (fronte d’onda ascendente o

discendente-evento trigger), fornisce in uscita un impulso

di caratteristiche ben determinate.

I multivibratori sono dispositivi che forniscono in uscita

tensioni a due livelli diversi (qualsiasi: possono essere

positivo e negativo o positivo e zero oppure negativo e

zero); relativamente alla durata nel tempo di questi stati,

si possono distinguere tre casi: bistabile, entrambi gli stati

sono stabili, l’uscita commuta solo con un opportuno

comando; monostabile, solo uno dei due stati è stabile, il dispositivo tende a portare spontaneamente

la sua uscita a uno stato stabile e rimane tale fino a che un comando lo porta all’altro stato; astabile,

nessuno dei due stati è stabile, l’uscita commuta spontaneamente dall’uno all’altro livello con una

frequenza programmabile. È una categoria di circuiti elettronici con la caratteristica di potersi trovare

in uno di due stati possibili (es. i due livelli logici di uscita in un circuito digitale). Nei multivibratori

astabili, nessuno dei due stati possibili è stabile, ovvero, l’uscita del circuito commuta continuamente

da un livello all’altro (si tratta in pratica di un generatore di onda quadra). I multivibratori astabili

con trigger di Schmitt sono circuiti costituiti da un

trigger di Schmitt invertente al quale è stata aggiunta

una resistenza R di retroazione negativa e un

condensatore C.

Il funzionamento del circuito si basa sulle seguenti

condizioni iniziali: C scarico,

→V

V =V =(R /R +R )*V =k*V =V , C si carica

out sat + 1 1 2 sat sat ref

attraverso R, V non riesce a raggiungere il valore +V

c sat

(infatti, appena V supera la tensione di soglia, V =-V

c c ref

e, di conseguenza, il condensatore viene costretto a

scaricarsi attraverso R). In pratica la tensione del

condensatore continua ad oscillare fra i valori +V e -V e,

ref ref

uscita dal circuito continua ad osci