Ultrasuoni e applicazioni in ecografia con modalità Doppler

ULTRASUONI

28/03 prima parte Gli ultrasuoni vengono descritti per la prima volta durante la seconda guerra mondiale (1949) da un marines degli Stati Uniti che li ha utilizzati nella diagnostica medica (fascicolo rimasto top secret per moltissimo tempo). Negli anni '60 nascono i primi ecografi che erano una quasi una stanza di apparecchiatura in cui si doveva stare fermi perchè l'acquisizione durava diverse decine di minuti. Nel 1977 si arriva ad una prima sonda in tempo reale (inizialmente le ricostruzioni di immagini ecografiche erano statiche), mentre nel 1989 viene fatto il primo 3D (anche in questo caso per l'acquisizione ci volevano diversi minuti, difficile che un feto stia fermo tutto quel tempo). Al giorno d'oggi siamo arrivati a delle sonde a matrice elettronica che lavorano anche con 3D in tempo reale. L'ultima frontiera in ecografia è l'intelligenza artificiale: si stanno producendo dei software dove, nel momento in cui si passa sul feto con la sonda, il macchinario in automatico riconosce le scansioni giuste e, oltre a freezare l'immagine e ad acquisirla, riesce e a dire più o meno se sono normali o meno.

COME FUNZIONA L'ECOGRAFIA

L'ecografia non è altro che ultrasuoni; i suoni non sono altro che onde pressorie. Gli ultrasuoni hanno una frequenza molto più alta rispetto alla frequenza dei suoni. Quando c'è un suono si muovono dei pacchetti di onde che si diffondono nell'aria, arrivano nel nostro orecchio e colpiscono il timpano. Con l'ecografia, invece, dalla sonda partono dei pacchetti di onde (ultrasuoni) che penetrano negli organi o nelle superfici di interesse. L'ultrasuono è un onda sonora di tipo meccanico, longitudinale che ha frequenza superiore alle onde sonore normali; in caso di ecografia originano da dei cristalli piezoelettrici e poi si propagano nel mezzo di interesse. Gli ultrasuoni hanno frequenza > 20 kHz, ovvero 20 cicli al secondo. Ci possono essere ultrasuoni anche a frequenza più alta (ad esempio per scopi terapeutici). Un'altra applicazione degli ultrasuoni è la cavitazione che è un trattamento estetico, ma viene utilizzato anche in medicina, e consiste in ultrasuoni a così alta frequenza, che quando vanno ad urtare la superficie di una cellula, la rompono (attenzione gli ultrasuoni possono essere anche dannosi !! ). Nelle applicazioni diagnostiche vengono utilizzati ultrasuoni con frequenze comprese circa tra 1 e 50 Mhz. La velocità della pressione dell'onda ultrasonora è di 1540 mt/sec (propagazione molto veloce, infatti la possibilità di fare l'ecografia in tempo reale è possibile proprio per questa caratteristica delle onde sonore).

AMPIEZZA

AMPIEZZA = energia pressoria dell'onda e la forza del suono nel spostare le particelle del mezzo in cui viene propagato

LUNGHEZZA D'ONDA

LUNGHEZZA D'ONDA = distanza tra due punti corrispondenti di due onde pressorie consecutive, è importante per la qualità dell'immagine

FREQUENZA

FREQUENZA = numero di cicli dell'onda che si ripetono in un secondo (alta frequenza quindi moltissimi impulsi in un secondo=alta risoluzione ma il fascio ultrasonoro non va in profondità, posso usare frequenze alte con donne molto magre; bassa frequenza=bassa risoluzione, ma vanno molto più in profondità. Le frequenze alte vengono utilizzate con le sonde transvaginali perché la sonda è molto più vicina all'utero e al sacco gestazionale, mentre per via transaddominale posso cambiare le frequenze a seconda della paziente che ho davanti) à più la frequenza è bassa più il fascio ultrasonoro penetra in profondità, ma a scapito della risoluzione !!

TRASDUTTORE (SONDA)

La sonda contiene cristalli piezoelettrici caratterizzati dalla capacità di trasformare l'energia elettrica in onda ultrasonora che penetra nei tessuti, torna indietro e urta nuovamente i cristalli piezoelettrici che hanno nuovamente la capacità di trasformare l'onda riflessa in segnale elettrico che viaggia nel filo della sonda, arriva al software centrale e viene trasformato in un immagine in base alle informazioni ricevute.

à attenzione a come si utilizzano le sonde e i fili: passando sopra il filo della sonda si rovinano i cristalli piezoelettrici (striscia nera sull'ecografia)

CRISTALLI PIEZOELETTRICI

I cristalli piezoelettrici sono cristalli di quarzo formati da silicone ed ossigeno collegati ad un elettrodo. Hanno una carica positiva e una carica negativa e, quando applico uno stimolo elettrico, le cariche positive e negative si modificano e viene prodotta l'onda sonora. Il primo passo dunque è la trasformazione del flusso elettrico in energia meccanica che viaggia, poi viene riflessa e ritrasformata in impulso elettrico. Le onde sonore che viaggiano nel corpo incontreranno tessuti diversi (osso, sangue, liquido amniotico, grasso, strutture cartilaginee ... ) che hanno una diversa impedenza acustica. A seconda delle caratteristiche del tessuto e dell'impedenza acustica, varierà la quantità dei suoni che continuano a viaggiare in profondità e la quantità dei suoni che quando urtano contro un tessuto vengono riflessi e tornano indietro (per questo nell'ecografia alcuni punti sono rappresentati in nero, alcuni in grigio ecc).

Le onde quando incontrano un tessuto possono essere: - trasmesse (continuano a viaggiare)- riflesse (tornano indietro) - rifratte (segnali che vengono "dispersi")

Le onde rifratte indeboliscono il mio fascio ultrasonoro perché non tornano indietro e non vanno avanti e sono fonti di rumori di fondo e di artefatti.

L'ecografia corrisponde all'onda acustica secondaria costituita dalla porzione del fascio ultrasonoro incidente su una superficie che ritorna verso la sonda nel momento in cui attraversa una zona intermedia interposta tra due mezzi di differente impedenza acustica.

IMPEDENZA ACUSTICA

Si intende il prodotto della densità del mezzo e di altre caratteristiche per la velocità della propagazione del suono del mezzo stesso. È in qualche misura un indice dell'ostacolo che gli ultrasuoni incontrano nell'attraversamento del tessuto in questione.

Più ho onde riflesse e meno rifratte, migliore sarà la mia immagine. Quindi come devo cercare di fare l'ecografia? Quando lavoro in bidimensionale, per vedere ciò che mi interessa, devo cercare di mettermi il più possibile perpendicolare per cercare di cogliere i fasci riflessi.

Modalità Ecografiche Doppler

28/03 seconda parte Introduzione alle Modalità Ecografiche Doppler La sessione discute diverse modalità ecografiche Doppler oltre alla modalità B-Mode standard (imagine in scala di grigi).

Modalità Doppler principali trattate: Color Doppler, Power Doppler e Doppler Pulsato (PW).

Power Doppler

Power Doppler: più sensibile Funzione: Rileva la presenza e l'ampiezza (intensità/potenza) del segnale Doppler, indicando le cellule ematiche in movimento, ma non visualizza tipicamente informazioni direzionali (come rosso/blu). Mostra essenzialmente se c'è flusso e a che velocità è, e quanto è forte il segnale. Utilizzabile nel primo trimestre per vedere alcuni vasi sanguigni perché si riescono a vedere flussi a bassa velocità.

Vantaggi del Power Doppler

• Maggiore Sensibilità ai Flussi Bassi: Molto migliore del Color Doppler nel rilevare flusso sanguigno molto lento (es. nei piccoli vasi).
• Meno Dipendente dall'Angolo: Può rilevare il flusso anche quando l'angolo di insonazione è sfavorevole (più vicino a 90 gradi), a differenza del Color Doppler che potrebbe non mostrare alcun segnale.

Svantaggi del Power Doppler

Svantaggi Principalmente, la perdita di informazioni direzionali (anche se versioni più recenti potrebbero incorporare una codifica direzionale) È anche più suscettibile agli artefatti da movimento (artefatto "flash").

Aspetto del Power Doppler

Aspetto: Spesso visualizzato con una mappa a colore singolo e intenso (es. sfumature di arancione/giallo). L'intensità del colore rappresenta la forza del segnale Doppler.

Usi Clinici del Power Doppler

Usi Clinici: Utile per visualizzare vasi minuscoli (vene polmonari, vasi fetali del primo trimestre, Poligono di Willis) dove il Color Doppler potrebbe fallire a causa della bassa velocità o di angoli sfavorevoli.

Tecniche Doppler Avanzate/Più Recenti

• Power Doppler Direzionale : Sistemi più recenti possono offrire versioni di Power Doppler che reintroducono informazioni direzionali.
• Radiant Flow : Una tecnica di post-elaborazione applicata ai dati Doppler (spesso Color o Power) che migliora la percezione della struttura vascolare, dando un aspetto più simile al 3D senza essere una vera acquisizione 3D.
• Slow Flow: Impostazioni/modalità specifiche progettate per ottimizzare il rilevamento di flussi a velocità estremamente bassa, basandosi sui principi di sensibilità del Power Doppler.

Doppler Pulsato (PW) (Doppler Spettrale)

La sonda emette pacchetti di fasci ultrasonori ad una frequenza nota. che servono per ottenere delle valutazioni quantitative.

Funzione: Fornisce analisi quantitativa del flusso sanguigno in un punto specifico all'interno di un vaso, emettendo dei pacchetti di onde ultrasonore a una frequenza nota. Misura l'intervallo (range) delle velocità nel tempo e lo visualizza come un grafico di forma d'onda spettrale (tracciato spettrale).

Tasti nel macchinario

• B->B-mode
• CD->color doppler
• PD->pulse doppler

Volume Campione/Gate

Volume Campione/Gate: quando attivo il comando, compare una linea, che ci indica esattamente la direzione del nostro fascio ultrasonoro, compare un'area specifica, ovvero il nostro volume campione (spesso mostrata come un segno "=" o due linee parallele) posizionata all'interno del vasosull'immagine B-Mode o Color Doppler. Il Doppler PW misura le velocità del flusso solo all'interno di questo gate. La dimensione del gate può essere regolata.

Forma d'Onda Spettrale (Tracciato Spettrale)

Forma d'Onda Spettrale (Tracciato Spettrale): L'output grafico che mostra il tempo sull'asse x e la velocità sull'asse y. La luminosità del segnale indica il numero di cellule ematiche che si muovono a quella specifica velocità.

Correzione dell'Angolo

Correzione dell'Angolo : Cruciale per misurazioni accurate della velocità. La macchina deve conoscere l'angolo tra il fascio ultrasonoro e la direzione del flusso. Un cursore dell'angolo viene usato per allinearsi con la direzione del vaso, permettendo alla macchina di calcolare le velocità reali. Angoli > 60 gradi introducono un errore significativo.

Impostazione del PW: PRF (Frequenza di Ripetizione degli Impulsi)

Un'impostazione del PW: PRF (Frequenza di Ripetizione degli Impulsi) PRF= La frequenza con cui il trasduttore (il pacchetto di ultrasuoni) invia gli impulsi ultrasonori in un'unità di tempo. È un tasto che serve per modificare l'intensità del nostro pacchetto di impulsi ultrasonori, deve essere regolata a seconda della velocità del flusso,

• Flusso ad Alta Velocità => Richiede PRF Alta.
• Flusso a Bassa Velocità => Richiede PRF Bassa.
• Una PRF errata porta all'aliasing. L'aliasing si verifica quando un segnale viene campionato a una frequenza troppo bassa rispetto alla sua frequenza originale, il che porta a una distorsione nel segnale ricostruito. In pratica, questo succede quando il campionamento non è sufficientemente frequente per catturare tutte le informazioni del segnale originale.

Caratteristiche della Forma d'Onda (Flusso Laminare/Parabolico)

Caratteristiche della Forma d'Onda (Flusso Laminare/Parabolico) Il flusso sanguigno nei vasi è tipicamente laminare, cioè scorre in strati paralleli. A causa dell'attrito contro le pareti vascolari, il flusso è più lento vicino alle pareti e più veloce al centro. Questo crea un profilo di velocità parabolico. Lo spettro Doppler PW mostra questo intervallo di velocità all'interno del volume campione. Il volume campione deve essere sufficientemente grande per sottostimare o sovrastimare la velocità, ma deve comprendere tutto il vaso in modo da avere tutte le differenze di velocità.

Analisi della Forma d'Onda e Indici

• Forme d'Onda Arteriosa vs. Venosa: Le forme d'onda arteriose sono tipicamente pulsatili, riflettendo il ciclo cardiaco (picco sistolico, flusso diastolico). Le forme d'onda venose sono spesso più continue o fasiche con la respirazione, meno pulsatili (esistono eccezioni, es. vicino al cuore).
• Misure:
  • Velocità di Picco Sistolico (PSV o Vmax): aumenta la velocità prima di arrivare al picco. Corrisponde alla prima parte dell'onda.
  • Velocità diastolica (EDV o Vmin): la velocità si riduce per poi arrivare a un platò Lo spazio rappresentato che va dalla più bassa dell'onda in giù, corrisponde alla quantità di sangue, da cosa dipende questa quantità di sangue? Dipende dal tipo di vaso, in particolare dalla sua resistenza, i vasi venosi hanno basse resistenze rispetto a quelli arteriosi. Meno profonda è lo spazio, più alte sono le resistenze, significa che se non c'è nulla che spinge, il vaso si restringe.

Esempio di Flusso Sanguigno

Esempio: la vena ombelicale porta Il sangue ossigenato al feto, connette il feto alla placenta, questo vaso rispetto alle resistenze, ci dice se ci sono problemi a carico della placenta, se sono alte le resistenze il flusso potrebbe ritornare indietro.

La forma dell'onda dipende: - il picco: da quanto è fluido o concentrato il sangue

• Indici (Valutazione quantitativa della resistenza a valle):
  • Indice di Pulsatilità (PI): PI = PS(picco sistolico) - PD( picco diastolico ) / Velocità Media. incorpora la velocità media di tutte le velocità, riflettendo l'intera forma d'onda, è più accurato
  • Indice di Resistenza (RI) RI = S - D / S . Indice più vecchio, meno accurato del PI poiché considera solo le velocità di picco e diastoliche.
  • Significato: Un Pi o RI alto indica generalmente alta resistenza a valle; un PI o RI basso indica bassa resistenza a valle.

Artefatti

• Aliasing : Si verifica sia nel Color che nel PW Doppler quando la PRF è impostata troppo bassa per le velocità presenti. Lo shift Doppler misurato supera il limite di Nyquist (PRF/2).
  • Aspetto (PW): La parte superiore della forma d'onda è tagliata e si 'ripiega' (wraps around) apparendo al di sotto della linea di base.