Dispensa Appunti di Strumentazione biomedica

Ultrasuoni e il loro utilizzo nella diagnostica medica

Misurando lo scostamento di frequenza f, chiamato doppler shift, è possibile ricavare la velocità.

Gli ultrasuoni a bassa intensità attraversano i tessuti biologici senza alterarli, mentre ad alta intensità possono produrre il riscaldamento e la generazione di bolle d'aria (cavitazione) alterandone il funzionamento.

Per un fascio di ultrasuoni con frequenza tra 0,5 e 6 MHz. La scelta della frequenza è un compromesso tra:

• Fenomeni indesiderati di interazione nei tessuti biologici (-)
• Assorbimento, profondità, ampiezza dell'eco (-)
• Scattering, risoluzione assiale (+)

Normalmente si opera tra i 2 e i 10 MHz. I parametri che influenzano le scelte sono:

• Risoluzione spaziale: capacità di rappresentare come separate strutture a contatto; si divide in assiale e laterale:
• Risoluzione assiale: minima distanza, lungo la direzione assiale di propagazione, alla quale il sistema riesce a distinguere due target affiancati. Dipende dalla durata

dell'impulso (SPL) e quindi dalla sua frequenza: RA = SPL/2A frequenze maggiori si ha una maggiore risoluzione, ma una maggiore attenuazione e minore profondità di penetrazione.

Risoluzione laterale: corrisponde alla capacità di distinguere due target lungo la direzione laterale e migliora con il diminuire della larghezza del fascio; dipende anche dalla focalizzazione.

Risoluzione di contrasto: capacità di discriminare tra oggetti aventi impedenze acustiche poco diverse. È definito come il rapporto tra intensità massima e minima correttamente rappresentabile dal sistema, espresso in dB. L'ampiezza dell'eco può essere anche più piccola di 100-150 dB rispetto a quella del segnale emesso. Per trattare range così ampi sono necessari trattamenti particolari e uno di essi consiste nell'amplificare il segnale eco con un guadagno che dipende dalla profondità di provenienza.

Risoluzione temporale:

Capacità di mostrare variazioni delle strutture in esame, cioè di avere una maggiore fluidità del video ed è in stretta relazione con il frame-rate, cioè il numero di immagini formate dell'apparecchio in un secondo. Per un osservatore una scena è continua quando supera 16 frame/s e dipende dalla profondità del campo; infatti, tanto più elevata è la profondità tanto più lento risulterà il frame-rate.

Focalizzazione: effetto del cristallo per il quale il fascio decresce di diametro fino ad un valore minimo, raggiunto il quale comincia a divergere. La larghezza del fascio nel punto di minimo è uguale alla metà del diametro del cristallo. A distanza doppia la larghezza è uguale al diametro del cristallo.

Per fare ciò vengono mandati degli impulsi in diversi istanti di tempo, in particolare vengono sollecitati per primi gli impulsi all'esterno, più lontani dal fuoco, e...

Poi quelli più centrali. La focalizzazione migliora la risoluzione laterale, però limita l'uso a regioni di profondità limitata perché fuori dalla zona di focalizzazione il fascio diverge rapidamente. È possibile anche mandare un fronte d'onda inclinato di un certo angolo senza dover muovere la sonda, sempre mandando gli impulsi in un determinato modo.

L'apparecchio ectomografico è costituito da:

• cristallo trasduttore o sonda: è la componente periferica del sistema, a contatto con il paziente, che genera gli impulsi ultrasuoni, li trasmette alla regione in esame e riceve gli echi di ritorno;
• Sistema elettronico composto da diversi circuiti che pilotano il trasduttore generando l'impulso elettrico di stimolazione, ricevono il segnale elettrico generato dall'eco, amplificano ed elaborano il segnale;
• Scan converter: digitalizza e memorizza i dati ottenuti dalla scansione; inoltre li converte nel formato adatto.

1. Sistema di visualizzazione: rappresenta su video le immagini prodotte.
2. Il generatore di tensione invia un impulso al trasduttore piezoelettrico che così oscilla alla sua frequenza di risonanza. L'impulso ultrasonoro attraversa i tessuti e viene riflesso da discontinuità di impedenza acustica e in questo modo vengono generati gli echi.
3. Nel momento in cui gli echi raggiungono il trasduttore, il generatore è spento e l'eco provoca l'oscillazione del trasduttore che così genera un segnale elettrico.
4. Modalità di imaging:
1. A seconda della diversa analisi spaziale e temporale offerta dall'apparecchio, si distinguono l'ecografia "A Mode", l'ecografia bidimensionale "B Mode" di più ampio utilizzo nell'esame di organi addominali e la "M Mode".
2. A (amplitude) Mode: viene visualizzata l'ampiezza dell'eco ricevuto dalla sonda in funzione della profondità.

B (brightness) Mode: è la rappresentazione su monitor televisivo di echi provenienti da una sezione del corpo attraversata dal fascio di ultrasuoni. In questo caso l'ampiezza dell'eco modula la luminosità del punto sullo schermo, mentre il ritardo dell'eco modula l'asse verticale. I punti neri sullo schermo rappresentano le zone anecoiche, cioè che non hanno generato segnale di eco, mentre i punti bianchi le zone iperecoiche.

M (motion) Mode: visualizza i movimenti dell'oggetto in funzione del tempo; ciò è possibile se si continua a trasmettere lungo la stessa linea di scansione affiancando tante linee B-mode.

Compensazione di

guadagno temporale (TGC): dato che gli echisono più o meno attenuati a seconda del percorso che hannocompiuto nel mezzo, e quindi a seconda della profondità a cuiprovengono, i segnali ricevuti dai trasduttori vengono amplificatida un amplificatore a guadagno variabile in modo dacompensare la diversa attenuazione.

Sonde: a seconda delle tecnologie utilizzate possono essere di tipo meccanico (cristallo oscillante che vibrain liquido) o elettrico (gruppi di trasduttori che vengono fatti vibrare in sequenza). Inoltre, in base alladisposizione dei cristalli e alla modalità di propagazione del fascio possono essere classificate come di tipoconvex, lineare, settoriale, vettoriale e anulare.

Infine, i trasduttori possono avere differenti frequenze, e sonde a frequenza maggiore hanno profondità dipenetrazione minori.

Sistemi color Doppler: è un ecografo che aggiunge informazioni riguardanti velocità e direzione del flusso sanguigno sfruttandol'effetto doppler.

dall'onda US a partire dal tempo che intercorre tra trasmissione e ricezione del segnale, e l'informazione contenuta negli echi viene usata per ricostruire l'immagine.

Ultrasuoni

Il suono non è altro che energia meccanica trasmessa attraverso un mezzo. Cambiamenti periodici nella pressione del mezzo sono generati da forze agenti sulle molecole le quali causano l'oscillazione attorno ad una posizione principale. Dato che è un modo ondulatorio, può essere caratterizzato da una frequenza f, misurata in Hz o da un periodo T=1/f, misurato in secondi.

I suoni udibili dall'orecchio umano hanno frequenza comprese tra 20 Hz e 20 KHz, ma variano da soggetto a soggetto. Gli infrasuoni sono suoni caratterizzati da una frequenza inferiore a 20 Hz, mentre gli ultrasuoni sono caratterizzati da una frequenza superiore a 20 KHz e sono onde meccaniche longitudinali. Entrambi sono non udibili ed insieme ai suoni sono caratterizzati dalle stesse proprietà.

Il movimento delle particelle attorno al punto principale può essere descritto matematicamente dall'equazione delle onde.

Nelle onde longitudinali il moto delle particelle avviene lungo la direzione di propagazione, mentre nelle onde trasversali avviene lungo la direzione perpendicolare a quella di propagazione.

La velocità di propagazione delle onde, chiamata velocità acustica, è un parametro che indica quanto velocemente l'energia si propaga nel mezzo e dipende dalla densità e dalla compressibilità del mezzo. Essa è inversamente proporzionale alla radice quadrata della densità e della compressibilità del mezzo in cui avviene la propagazione.

Mettendo insieme le due dipendenze otteniamo [equazione]. I due parametri sono indipendenti, ma dipendono dalla temperatura.

La velocità del suono è quindi considerabile una costante del particolare mezzo in cui avviene la propagazione e il valore medio nei tessuti è di 1540.

m/s; inoltre possiamo scrivere dove λ è la lunghezza d'onda. Impedenza acustica: l'entità dell'onda US riflessa e trasmessa dipende dalla differenza tra i due tessuti in termini di impedenza acustica; si misura in Kg/(m2s) ed è indipendente dalla frequenza. Se due mezzi con Z diversa sono affacciati, il passaggio tra l'uno e l'altro suono è caratterizzato da due fenomeni chiamati riflessione e rifrazione. Valori vicini di Z per diversi tipi di tessuti molli rendono complessa la loro differenziazione ecografica, mentre notevoli differenze di Z tra aria e tessuti rendono necessaria l'interposizione di un gel tra sonda e cute per evitare riflessioni importanti da parte dell'aria interposta. Riflessione e rifrazione: la quantità di suono riflesso è funzione solo della superficie di separazione tra i mezzi, che deve avere dimensioni sufficientemente maggiori della lunghezza d'onda, e non dello spessore.