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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II”

Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica

Anno accademico 2005-2006

Diagnostica per Immagini Argomento 4Ecografia

Arturo Brunetti

Tel 0817463102 Fax 0812296117

e-mail: brunetti@unina.it

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Schema di questa presentazione

• Definizioni generali• Formazione degli ultrasuoni• Sonda = trasduttore• Immagine ecografica• Artefatti

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ECOGRAFIA

Tecnica che utilizza ultrasuoniper la formazione di

immagini tomografiche"in tempo reale"

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ECOGRAFIA(ultrasound imaging)

Sonda(trasduttore)

Sistema di gestionea) Controllo della sondab) Produzione di USc) Rilevazione degli echid) Elaborazione del segnale

Monitor

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Immagine ecografica:immagine di riflessione:

mappa degli ultrasuoni riflessi

Onda incidente

Onda riflessa

Interfaccia

Pulsante

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Ecografia tiroidea

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Sonde(trasduttori)

Gli ultrasuoni sonoprodotti da materialipiezoelettrici contenutiall’interno di “sonde”

Si utilizzano sondediverse in rapporto adiverse esigenzediagnostiche

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ECOGRAFIA

Tecnica tomografica:Visualizza cioè immagini

di sezioni corporee

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Utilizzazione dell’ecografia

MonitoraggioDiagnosi

Fisica

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ULTRASUONI: COME SI PRODUCONO?

Alcuni materiali come il quarzo, il bario-titanato, e ilpiombo-zirconato- titanato (PZT) sono costituiti dainnumerevoli "dipoli" che in presenza di un campoelettrico cambiano orientamento spazialemodificando le dimensioni del cristallo.

Se questi cristalli sono inseriti tra due elettrodi,l' applicazione di una differenza di potenziale ne causavibrazioni con formazione di onde sonore.

Inversamente, onde sonore che fanno vibrare i cristallipiezoelettrici determinano l' induzione di un voltaggionel relativo circuito elettrico.

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ULTRASUONI

sono prodotti da "trasduttori" in gradodi convertire energia elettrica in energiameccanica mediante cristalli piezolettrici

L' effetto piezoelettrico fu scoperto dai fratelli Pierre e JacquesCurie ben prima della scoperta dei raggi X e della radioattività

Curie. J.P., Curie. (1880) Développement par pression de l'électricite polaire dans les cristaux hémièdres àfaces inclinées. C.R. Acad. Sci. (Paris) 91:294.

+ -

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effetto piezoelettrico

+ -

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IL FASCIO DIULTRASUONI

zona di Fresnel zona di Fraunhofher

Χ’∞ r2 / λ

Χ'r

Lunghezza della zona di Fresnel proporzionale al quadrato del raggio del trasduttore e inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda

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Trasduttore

� Funziona da emettitore di ultrasuoni per circaun milionesimo di secondo,� 500-3000 volte al secondo

� Funziona da ricevitore degli echi per untempo mille volte maggiore

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I trasduttori

� I cristalli risuonano (cioè oscillano più efficacemente) ad unafrequenza determinata dal loro spessore

� La frequenza di risonanza è quella degli ultrasuoni la cui λ/2coincide con lo spessore del cristallo

� La frequenza degli ultrasuoni prodotti da un cristallopiezoelettrico è inversamente proporzionale allo spessore delcristallo

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TRASDUTTORI

Ogni cristallo piezolettrico ha una sua frequenza naturale dioscillazione: "frequenza di risonanza",inversamente proporzionale allo spessore del cristallo.

I cristalli sono costruiti in modo che lo spessore sia pari a metàdella lunghezza d'onda degli ultrasuoni da produrre.

Es: cristallo PZT 0.001 mm spessore

V = ν λ

ν = V / λν = 4000 m/sec / 0,002mν = 2000000 /sec = 2MHz

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TRASDUTTORIProblematiche “costruttive”

� I trasduttori a frequenze elevate sono molto piùsottili di quelli a bassa frequenza e sono piùdifficili da costruire.� Per questo le sonde ad alta frequenza in genere

costano di più.

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TRASDUTTORE

FUNZIONA SIA COME TRASMETTITORESIA COME RECETTORE

LA PUREZZA DEL SUONO E LA PERSISTENZADEL SUONO NEL TEMPO SI ESPRIMONO CON ILFATTORE Q.

Un Q alto indica una ristretta banda di frequenzacon lento decadimento del suono ed è utile per levalutazioni Doppler.Per l' imaging ecografico si preferiscono trasduttoricon Q basso, che danno impulsi brevi e rispondonoad un ampio range di frequenze di ritorno.

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Un fatto “pratico”da ricordare

� La capacità di penetrazione degli ultrasuoni neitessuti è inversamente proporzionale alla frequenza

� Cioè gli ultrasuoni ad alta frequenza possonoessere utilizzati solo per studiare strutturerelativamente “superficiali”

� Peraltro le strutture vicine alla sonda ad altafrequenza vengono visualizzate con un’elevatarisoluzione spaziale

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TRASDUTTORI

SETTORIALE MECCANICOSETTORIALE ANULARE

SETTORIALE ELETTRONICO (Phased array)ARRAY SETTORIALE

LINEARE

CONVEX

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SONDA E IMMAGINIECOGRAFICHE

SONDA CONVEX

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SONDA E IMMAGINIECOGRAFICHE

SONDA LINEARE

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I PRIMI DISPLAYECOGRAFICI

• B MODE A MODE

Cute

Sottocute

Muscolo

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L’immagine ecografica

� Ricevendo una seriedi echi a tempidiversi, da struttureche si trovano aprofondità diverse,l’ecografo è in gradodi ricostruire una“mappa degli echi”:

� l’immagineecografica non èaltro che una mappadi echi ottenuti dauna sezione del corpo

Sez. trasversale Sez. longitudinale

Regione metacarpale - cavallo

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ECOGRAFIA

Gli echi che contribuiscono a formare l' immagineecografica sono il risultato della riflessione delfascio ultrasonoro a livello delle interfaccie trastrutture con velocità di trasmissione (impedenze)diverse.

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Ecogenicità(reflettività)

� Indica il tipo di echi checaratterizzano unastruttura:

� Esprime in genere unconfronto tra organi(es. fegato e rene) eall’interno di uno stessoorgano (rene, corticalee midollare)

IPOECOGENO IPERECOGENO

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ANECOGENOANECOICOSONOLUCENT

� STRUTTURA SENZAECHI :

� cisti all’interno di untesticolo

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IPERECOGENO - IPERRIFLETTENTECalcificazione

Una struttura calcificacomporta un brusco cambiodi velocità di trasmissionedegli ultrasuoni e quindiuna massiccia riflessionedel fascio che può essereanche completamentebloccato, con la formazionedi un cono d’ombra

Calcificazione tiroideacon cono d’ombra

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ECOGRAFIA

Termini utilizzati nella descrizione dei reperti

ECOGENO

ANECOGENO

IPERECOGENO

IPOCOGENO

sono definizionicomparative tra strutture diverse

struttura riflettente

struttura priva di echi(fluido omogeneo)

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Real time: Temporeale• Si definiscono così , in senso

stretto, i sistemi che permettonodi seguire il movimento.

• Nei sistemi real time si produconoalmeno 16 “frames” al secondo(per evitare l’effetto di flickeringdovuto alla persistenzadell’immagine)

• Naturalmente il numero di framesè limitato dal tempo necessario aricevere gli echi prima di poterinviare un secondo impulso

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ECOGRAFIA - UN PO’ DISTORIA

Il SONAR(SOund Navigation And Ranging)

sviluppato dopo l’affondamento del Titanic (1912)e nel corso della I guerra mondialeper la individuazione di sottomarini

può essere considerato la tecnologia “precursore”

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ECOGRAFIA - UN PO’ DISTORIA

Le prime applicazioni degli ultrasuoni in campo medico sisono realizzate tra gli anni '40 e l'inizio dei '50.

Le prime applicazioni negli anni 1940 avevano finiterapeutici (es. neurochirurgia) oltreche diagnostici

(iperfonografia)

Le prime applicazioni diagnostiche pratiche ebbero luogonel decennio successivo quando furono introdotti i termini

ecografia ed ecometria (Reid e Wild, 1953)

Nel corso degli ultimi trenta anni le applicazionidiagnostiche e terapeutiche degli ultrasuoni si sono

enormemente ampliate

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StoriaChilowsky C.M. Langévin. M.P. (1916) Procídés et appareil pour production de signaux sous-marins dirigés et pour la localsation à distances d'obstacles sons-marins. French patent no.502913.

Langévin, M.P. (1928) Lés ondes ultrasonores. Rev Gen Elect 23:626.

Firestone, F.A. (1945) The supersonic reflectoscope, an instrument of inspecting the interior ofsolid parts by means of sound waves. J. Acoust. Soc. Am. 17:287-299.

Desch, C.H., Sproule, D.O. and Dawson, W.J. (1946) The detection of cracks in steel by meansof supersonic waves. J. Iron and Steel Inst. (1964):319.

Tanaka, K., Miyajima, G., Wagai, T., Yasuura, M. Kikuchi, Y and Uchida, R. Detection ofintracranial anatomical abnormalities by ultrasound. Tokyo Med. J. 69:525. (1950).

Ludwig, G.D. and Ballantine, H.T. (1950) Ultrasonic irradiation of nervous tissue. Surgical Forum,Clinical Congress of the American College of Surgeons P. 400.

Miyajima, G., Wagai, T., Fukushima, Y., Uchida, R. and Hagiwara, I. (1952) Detection ofintracranial disease by pulsed ultrasound. Tokyo Med. J. 72:37

Ludwig, G.D. and Struthers, F.W. Detecting gallstones with ultrasonic echoes. Electronics 23:172-178. (1950).

Wild, J.J., French, L.A. and Neal, D. Detection of cerebral tumours by ultrasonic pulses. Cancer4:705. (1950).

Wild, J.J. and Reid, J.M. (1952) Application of echo-ranging techniques to the determination ofstructure of biological tissues. Science 115:226-230.

Donald, I., MacVicar, J. and Brown, T.G. (1958) Investigation of abdominal masses by pulsedultrasound. Lancet 1:1188-1195.

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Quando mandiamo ultrasuoni nel corposi verificano diversi fenomeni fisici:

RIFLESSIONE

DIFFUSIONE

RIFRAZIONE

ASSORBIMENTO

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RIFLESSIONE

E’ il fenomeno che permette la formazione delleimmagini ecografiche

Si verifica all'attraversamento di strutture convelocità di trasmissione del suono diversa.

Maggiore è la differenza di velocitàmaggiore sarà l'intensità dell'onda riflessa.

“Per la pratica” ricordiamo che l’intensità dell' ondariflessa è massima quando il trasduttore èperpendicolare al tessuto da studiare, infatti …

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RIFLESSIONE ERIFRAZIONE

Mezzo 1 Mezzo 2

θ

Onda incidente

Onda rifrattaOnda riflessa

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Per evitare la rifrazione e raccoglierela massima quantità di echi riflessi

la sonda si posizionaperpendicolarmente

alla struttura da studiareMezzo 1 Mezzo 2

Onda incidente

Onda riflessa

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ASSORBIMENTO

� E’ un fenomeno che non serve ai fini dellaformazione delle immagini (diversamente daquanto accade in radiografia)� E’ una trasmissione di energia meccanica alle

strutture attraversate

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LA DIFFUSIONE

Onda incidente

� All’impatto del fascio US con interfacce asuperficie irregolare o di piccole dimensioni, siinduce una dispersione dello stesso in tutte ledirezioni e quindi anche verso il trasduttore.

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Diffusione

� Gli echi diffusicontribuiscono alladeterminazione dellaecostruttura degli organi.

� In pratica permettono larappresentazione dellafine trama di echi dipiccole dimensioni edampiezza checaratterizza in modotipico ciascunparenchima.

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RIPRENDIAMO UN PO’ DI FISICA

SUONI E ULTRASUONI

fenomeno ondulatorio (associato aoscillazioni molecolari)

non si propagano nel vuoto

forma di trasmissione di energia

viaggiano a velocità diversa a seconda del mezzo in cui si trasmettono

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ILSUONO

� Il suono ha origine dalla vibrazione dei corpielastici.

� Questa vibrazione, trasmessa dall'ariacircostante sotto forma di onde acustiche,viene captata dall'orecchio umano e trasmessaal cervello, il quale ne esegue la decodifica.

� Le caratteristiche principali del suono: altezza(frequenza) , intensità.

� Per il suono è importante anche il timbro, maper l’ecografia la cosa non ci interessa

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Propagazione di suoni eultrasuoni

•Gli US sono un particolare tipo di ondemeccaniche, cioè onde elastiche, le cuimodalità di propagazione dipendono dalleforze elastiche che legano tra loro leparticelle dei mezzi attraversati.•Queste onde non possono, quindi,

propagarsi nel vuoto in assenza di materia.

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Ondesonore

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2

1

4

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Propagazione deisuoni

� Il mezzo attraversato dagli US puòimmaginarsi costituito da un’insieme diparticelle collegate tra loro daun’ipotetica molla (forze elastiche dicoesione). Quando viene esercitata unaforza sulla prima particella, questaviene dislocata verso la successiva(compressione) e, prima di tornare nellasua posizione di equilibrio (rarefazione),cede ad essa una parte di energia;questa particella agirà sulla successiva,e così via.

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Parametri fisici correlatialla

trasmissione dei suonisuoni

� Compressibilità e Densità dei materiali chetrasmettono i suoni

� Velocità di trasmissione� Impedenza� Intensità

• Assoluta• Relativa

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Onda US - parametri

� - ampiezza: è indicativa della forza che l’ondaesercita sulla particella del mezzo

� - frequenza: rappresenta il numero di cicli dicompressione e rarefazione espletati nell’unità ditempo

� - lunghezza d’onda : è la distanza tra due punti inconcordanza di fase di due cicli successivi

� - periodo: rappresenta il tempo impiegata perpercorrere una distanza pari alla lunghezza d’onda(inverso della frequenza)

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Ondesonore

lunghezza d'onda (λ)

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Velocità - frequenza - lunghezza d’onda

2 MHz

alta frequenza

bassa frequenza

1 MHz

V = ν λ

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1 ciclo/sec = 1 Hertz (Hz)

Suoni udibili: 15 - 20000 HzVoce di uomo = 100 HzVoce di donna = 200 Hz

Dare il LA con il diapason equivale a produrre un suono di 440 Hz

Ultrasuoni diagnostici = 1- 20 MHz

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Velocità ditrasmissione

Nei tessuti è indipendente dalla frequenza:dipende essenzialmente dalle caratteristiche del

materiale in cui viene trasmesso

È inversamente proporzionale allacompressibilità del materiale conducente(ma è influenzata anche dalla "inerzia"dovuta alla densità del materiale)

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VELOCITA' DITRASMISSIONE

costante in un mezzo omogeneo e proporzionale alla densità (e alla impedenza)

aria

grasso

fegato

muscolo

osso

330 m/sec

1460 m/sec

1540-80 m/sec

1545-1630 m/sec

2700-4100 m/sec

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Ampiezza di vibrazione

1 MHz

alta intensità(bande di compressione più dense)

bassa intensità(bande di compressione più rarefatte)

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INTENSITA'

L' intensità del suono si misura watt/cm2

1 dB = 0.1 B(B)

Il Bel è un' unità "comparativa" dell' intensità didue suoni espressa su base logaritmica 10

L' intensità relativa di due suoni simisura in decibel

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INTENSITA'RELATIVA

Se un fascio ultrasonico ha un' intensitàiniziale di 10 watt/cm2 , e l'eco di ritornoha un intensità di 0,001 watt/cm2 ,l' intensità relativa sarà:

log 0,001/10 = log 0,0001 = - 4 B =

= - 40 dB

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ATTENUAZIONE

L'attenuazione del fascio ultrasonoro avviene secondo la relazione:

Per cui l'attenuazione aumenta con l'aumentare del percorso ma anche con l'aumentare della frequenza.

Pertanto le sonde ad alta frequenza possonoessere utilizzate per strutture vicine e quellea bassa frequenza per strutture lontane.

1db/cm/MHz.

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IMPEDENZA

è una proprietà fondamentale della materia

l'unità di misura è il Rayl (da Rayleigh)

Z = ρ v

Z = impedenza acusticaρ = densità (g/cm3 )v = velocità del suono

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ECOGRAFIA

La differenza di impedenza tra i tessuti molliè minima, consentendo la progressione delfascio ultrasonoro in profondità

Un' interfaccia tessuto molle - aria riflette quasi tutto il fascio ultrasonoro.

Un' interfaccia tessuto molle - osso ne riflettela maggior parte.

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Velocità delsuono

Materiale Velocità del suono (m/s)Impedenza (Rayl x 10 -6)Aria 330 0.0004Grasso 1450 1.38Acqua 1480 1.48Tessuto molle medio 1540 1.63Encefalo 1540 NAFegato 1550 1.65Rene 1560 1.62Sangue 1570 1.61Muscolo 1580 1.7Cristallino 1620 NATeca cranica 4080 7.8

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ECOGRAFIA

AMPLIFICAZIONE

Perchè gli echi di ritorno hanno un'ampiezza 20 -1000000 volte inferiore alle onde di origine.

COMPENSO DI PROFONDITA'(Time Gain Compensation)

Perchè gli echi provenienti da strutture lontane devono essere maggiormente amplificati.

TRATTAMENTO DEL SEGNALE

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DISPLAY

A mode

M-mode

TM mode

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Utilizzazione storica deimode

•A mode: oftalmologia, ecoencefalografia,ecocardiografia e in genere per msiurazione diprofondità

•Se il suono viaggia a 1540 m/sec cioè 154000cm/sec•Per percorrere 1 cm impiega 6,5 µsec e quindi il

round trip dura 13 µsec.

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M-MODE

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Diagnosi di gravidanza

• VISUALIZZAZIONEDIRETTA PRECOCEDELL’EMBRIONE

• POSSIBILITA’ DIVALUTARE ILBATTITO CARDIACO

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ecocardiografia

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DIFETTO SETTALE CON SHUNT

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EFFETTODOPPLER

modificazione della frequenza di un suono riflesso da una

struttura in movimento

ν = frequenza incidenteC = velocità del suonoV = velocità dell'oggettoDF = variazione di frequenzacos θ = coseno angolo di incidenza

DF = (2ν/C) V cos θ

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ESAME DOPPLER

Permette di misurare la velocità di flussoe il verso di spostamento del sangue

Nel color-Doppler i flussi in allontanamentoe in avvicinamento alla sonda vengonopresentati rispettivamente in blu e in rosso.

Colore omogeneo: flusso laminare regolare.Colore disomogeneo: flusso turbolento

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SISTEMIDOPPLER

Doppler continuo (CW, doppio cristallo)

Doppler pulsato (PW, cristallo singolo)(consente di valutare la profondità del segnale esplorato)

Sistemi Duplex : unico trasduttore per immaginie tracciato doppler

Color Doppler Bidimensionale (Color Flow Mapping, CFM) analizza volumi multipli con il principio del doppler pulsato

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Biforcazionecarotidea

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Biforcazionecarotidea

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Biforcazionecarotidea

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ECOGRAFIA

RISOLUZIONE SPAZIALERISOLUZIONE ASSIALE

distinzione di due elementi situati lungo l'area di propagazione degli ultrasuoni

= λ/2

RISOLUZIONE LATERALE

distinzione di due elementi perpendicolari all'area di propagazione degli ultrasuoni

(aumenta con la frequenza e il diam. del cristallo)

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Trasduttorimeccanici

•Trasduttore singolo oscillante– semplice (enclosed– in bagno d’acqua o olio (enclosed)

•Gruppi di trasduttori montati su un supportorotante– (rotating wheel transducer a tre o quattro elementi)

• Immagine settoriale 45-90

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Trasduttorielettronici

• Piccoli elementi rettangolaari adiacenti• Due tipi:– LINEAR ARRAY (immagini rettangolari)– PHASED ARRAY (immagini settoriali)

Nel trasduttore elettronico, maggiore è il numero dielementi, maggiore è il numero di linee di scansione equindi la risoluzione ottenibile

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I trasduttorielettronici

•Sequenze di eccitazione degli elementi finalizzateal miglioramento della risoluzione•Focalizzazione del fascio– riduzione dello spessore dello strato scansionato

utilizzando “lenti” di materiale plastico (fig. 20-43)s– focalizzazione elettronica per aumentare la

risoluzione azimutale (fig. 20-44)

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Phasedarray

•Si tratta di una modalità costruttiva che haun’applicazione specifica nell’imaging cardiaco,in cui durante l’esame si ottengonosimultaneamente:– l’immagine di un settore cardiaco– un time motion tracing di una struttura (es;valvola)

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Riassunto 1

•Gli ultrasuoni sono suoni con frequenze superioria 20000 Hz ( in genere 1-20 MHz in applicazionidiagnostiche)• Sono prodotti da materiali ceramici speciali

(naturali o sintetici, piezoelettrici, sottoposti adimpulsi elettrici che li fanno vibrare.• Il materiale più utilizzato è il PZT (piombo

zirconato titanato), ma ci suono nuovi polimeri dimateriali plastici in sperimentazione.

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Riassunto 2

•L’ecografista esegue l’esame manipolando unasonda al cui interno il cristallo piezolettrico(trasduttore) è protetto e isolato acusticamente eelettricamente.• Il trasduttore ha una doppia funzione: produce

ultrasuoni e registra gli echi, le riflessioni degliultrasuoni.•Per ogni indagine ecografica si deve scegliere il

trasduttore idoneo.

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Riassunto 3

•Caratteristiche fisiche importanti del trasduttoresono•La temperatura a cui si perde l’effetto piezolettrico•La purezza di emissione (fattore Q)• Il “ring-down” time

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Riassunto 4

•Gli ultrasuoni sono onde meccaniche longitudinalila cui velocità di spostamento dipende dacompressibilità e densità dei materiali attraversati• Il fascio di ultrasuoni viaggia nei tessuti molli a

circa 1500 m/sec attenuandosi per effetti diversifenomeni– Diffusione, Riflessione, Rifrazione, Assorbimento

• Il fascio di ultrasuoni è compatto (coerente) in unazona vicina alla sonda (zona di Fresnel) ,dopodichè si allarga, disperdendosi (zona diFraunhofer)

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Riassunto 5

•Gli ultrasuoni sono riflessi alle interfaccie trastrutture diverse in quantità proporzionale alladifferenza di impedenza acustica (il prodotto divelocità del suono e densità del materiale)•La riflessione è minore quando il fascio di ultrasuoni

è perpendicolare alla struttura da studiare, per cui ilfascio può penetrare maggiormente in profondità.

•Gli unici effetti biologici possibili degli ultrasuonisono la trasmissione di energia meccanica(assorbimento) chè proporzionale alla frequenza degliultrasuoni stessi.

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Riassunto 6• Gli echi sono la base della formazione della immagine

ecografica:• Il trasduttore funziona sia da emettitore sia da ricevitore degli

ultrasuoni riflessi; il tempo di ritorno degli echi riflessiconsente di calcolare la profondità da cui gli echi vengono.

• Per avere un’ immagine di aspetto più omogeneo il displayecografico deve prevedere un incremento del segnaleproveniente dalle zone più profonde.

• In ecografia la definizione dell’immagine ha una componentedi risoluzione doppia– Longitudinale (di profondità) che dipende dalla lunghezza d’onda)– Laterale (orizzontale) che dipnede dalla forma del fascio

• Il fascio di ultrasuoni può essere focalizzato ad una certaprofondità

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Riassunto 7

•L’imaging in tempo reale (real time) richiede uncompromesso tra linee di scansione (risoluzione spazialelaterale) e frame al secondo (risoluzione temporale)– Buone immagini in tempo reale hanno almeno 16 frame /sec

•Per ottenere immagini in tempo reale si possono usare– trasduttori meccanici– trasduttori elettronici lineari o phased array

• Il numero di componenti e le modalità di sollecitazionedel trasduttore influenzano la qualità dell’immagine.