L’ecografia è una tecnica di ricostruzione dell’immagine di una struttura anatomica che sfrutta l’utilizzo di ultrasuoni, suoni la cui frequenza supera i 2×104 Hz e che non possono essere percepiti dall’orecchio umano.
Per generare ultrasuoni si utilizzano cristalli piezoelettrici a cui viene applicata una differenza di potenziale elettrico alternata, e quindi un campo elettrico alternato, che li fa vibrare alla stessa frequenza del campo elettrico. I cristalli piezoelettrici agiscono sia da generatori che da rilevatori di ultrasuoni perché sottoposti a vibrazioni meccaniche ultrasonore, essi generano un campo elettrico alternato e quindi una differenza di potenziale della stessa frequenza.
Si possono ottenere e rivelare ultrasuoni con frequenza fino a 1 GHz, tuttavia per l’ecografia si utilizzano frequenze tra 1 e 15 MHz e brevi impulsi della durata variabile da 1 a 5 microsecondi, circa 200 volte al secondo.
L’ecografo è quindi costituito da una sonda costituita da un cristallo piezoelettrico utilizzato sia come sorgente che come rivelatore. Esso viene posto a contatto con la pelle tramite un gel che permette di condurre il suono meglio rispetto all’aria.
Nota la velocità di propagazione nel mezzo, il tempo che intercorre tra l’emissione degli impulsi e la ricezione dell’onda riflessa sia della prima interfaccia (distanza l1 con t1) che della seconda (distanza l2 con t2), consente di ottenere la distanza δ tra le due interfacce seguendo la formula:
Parametri fisici
I parametri che caratterizzano l’emissione dal trasduttore ultrasonoro sono: l’intensità, la frequenza di vibrazione, la risoluzione assiale (o longitudinale), la risoluzione laterale e la divergenza del fascio (focalizzazione acustica o elettronica).
Per quanto riguarda l’intensità, essa segue la legge esponenziale I(x)= I0e–αx dove I0 è l’intensità incidente e I(x) quella trasmessa dopo aver attraversato lo spessore x ed α è il coefficiente di assorbimento che varia di materiale in materiale (nei materiali biologici da 0,5 a 15 MHz) ed è proporzionale alla frequenza della vibrazione ultrasonora α=f k.
Come già detto, per l’ecografia si utilizzano frequenze tra 1 e 15 MHz e brevi impulsi della durata variabile da 1 a 5 microsecondi, circa 200 volte al secondo.
La risoluzione è la capacità di distinguere due punti vicini nell’immagine ecografica. Maggiore è la risoluzione, più vicini possono essere due oggetti per poter essere distinti come due punti nettamente separati.
La risoluzione assiale è la capacità di distinguere due punti lungo la linea di propagazione dell’onda sonora. Essa dipende dalla lunghezza d’onda e dalla durata dell’impulso. Per frequenze comprese tra 1 e 15 MHz la lunghezza d’onda λ varia da 1.5 mm a 0.1 mm. Quindi, aumentando f, cresce la Risoluzione assiale, ma aumentando f aumenta anche il coefficiente α dei tessuti e gli impulsi sono attenuati in intensità. Pertanto, bisogna trovare un compromesso tra la f e la perdita di intensità che si riflette sulla luminosità dell’immagine. La risoluzione assiale dipende inoltre dalla durata degli impulsi; infatti, impulsi di lunga durata impediscono di rilevare due interfacce molto vicine.
La risoluzione laterale è la capacità di distinguere due punti giacenti su una linea perpendicolare all’asse di propagazione dell’onda sonora e dipende dalle dimensioni del fascio che a loro volta dipendono dalle dimensioni del cristallo piezoelettrico. Perciò la risoluzione laterale può essere migliorata utilizzando una sonda dotata di una matrice costituita da molti cristalli piccoli.
La focalizzazione acustica è un parametro che permette di migliorare la risoluzione laterale tramite l’utilizzo di una lente all’uscita del fascio di cristallo piezoelettrico. Nella zona focale ottenuta dalla lente si ha la dimensione più stretta del fascio e quindi la migliore risoluzione laterale.
La focalizzazione elettronica, invece, sfrutta il principio di Huygens dell’ottica, secondo il quale il fronte d’onda risultante di più sorgenti puntiformi è costituito dall’inviluppo dei singoli fronti d’onda emessi da ciascuna sorgente. Sfruttando questo principio è possibile focalizzare il fascio sul punto da osservare in modo da ottenere risoluzioni laterali dell’ordine di 1 mm.
Con la focalizzazione elettronica, dopo la riflessione sul bersaglio, gli echi arrivano alla sonda in tempi diversi (sfasati tra loro).
Per rifasare il segnale ricevuto dalla sonda, in modo che l’immagine sia stabile, si usano linee di ritardo inserite nel circuito ricevente dopo i cristalli della sonda.
Il segnale ricevuto da ciascun cristallo è amplificato opportunamente e quindi produce un punto luminoso sullo schermo. Assegnando opportune tonalità di grigio alle ampiezze dei segnali riflessi, è possibile ottenere sullo schermo dell’ecografo l’immagine del bersaglio da osservare.
Parametri da cui dipende l’intensità di un fascio di ultrasuoni
L’intensità di un raggio sonoro decresce attraverso i tessuti a causa della divergenza del fascio, il suo assorbimento, la riflessione e la rifrazione. In generale l’attenuazione di un fascio di ultrasuoni nei tessuti molli risulta di un decibel per ogni cm percorso moltiplicato per la frequenza in MHz (tuttavia bisogna considerare il doppio dei cm percorsi in quanto il raggio percorre due volte la distanza). Ciò significa che l’attenuazione aumenta molto rapidamente all’aumentare della frequenza, limitando la profondità di esplorazione nel corpo umano.
Per quanto riguarda la divergenza, essa si verifica con un certo angolo β oltre una distanza xmax dal punto di emissione e comporta una progressiva diminuzione dell’intensità del fascio. Aumentando la frequenza diminuisce la divergenza del fascio e anche la sua attenuazione.
L’assorbimento è un fenomeno che porta alla trasformazione di parte dell’energia del fascio in calore dovuto alla vibrazione delle molecole. L’assorbimento aumenta progressivamente al crescere della frequenza e della rigidità del tessuto.
Poiché divergenza e assorbimento dipendono in modo opposto dalla frequenza, per ottimizzare lo strumento è necessario trovare un compromesso. Per risolvere questo problema si applica proprio la tecnica pulsata con 200 pulsazioni per secondo della durata di 5 microsecondi ciascuna, che comportano una potenza dissipata nell’organismo ben al di sotto del limite di pericolosità.
La riflessione e la rifrazione sono fenomeni che avvengono all’interfaccia tra mezzi diversi. Se la riflessione non avviene nella stessa direzione di incidenza sull’interfaccia, il raggio riflesso non raggiunge il rivelatore e viene attenuato. Questo avviene quando le dimensioni dell’interfaccia sono piccole rispetto a quelle del fascio.
La presenza di zone d’aria provoca considerevoli disturbi poiché la velocità del suono nell’aria è minore rispetto a quella nei mezzi biologici, per questo si utilizza il gel come sostanza conduttrice di suono. Inoltre vanno evitate le strutture ossee dato il loro notevole assorbimento che causa zone d’ombra e riflessioni anomale nell’immagine.
Metodiche ecografiche
Fonte: Fisica biomedica.
Ci sono diversi modi di analisi ecografica. Il modo A permette la visualizzazione dell’ampiezza degli impulsi riflessi (sull’asse orizzontale) nel tempo (sull’asse verticale) sul monitor dando un’immagine modulata in ampiezza, utile per strutture statiche.
Il modo B, invece, rende l’ampiezza dell’impulso proporzionale alla luminosità visualizzata nel monitor, dando un’immagine modulata in intensità luminosa, utile per strutture in movimento.
Il modo di analisi M si ottiene quando le immagini del modo B vengono fatte passare in istanti successivi sullo schermo del monitor, consentendo l’osservazione successiva di organi in movimento come il cuore e le sue valvole (ecocardiografia).
Fonte: Fisica biomedica.