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Spedali Civili di Brescia Università degli Studi di Brescia 12 Novembre 2010 La Neurosonologia nellambito delle Neuroscienze Fagoni Nazzareno SSDV Neuroanestesia.

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1 Spedali Civili di Brescia Università degli Studi di Brescia 12 Novembre 2010 La Neurosonologia nellambito delle Neuroscienze Fagoni Nazzareno SSDV Neuroanestesia e Neurorianimazione

2 Lazzaro Spallanzani 1794 Pipistrelli e Cetacei Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia Emissione di ultrasuoni e successiva rilevazione di echi

3 Applicazioni militari degli ultrasuoni Il SONAR SOund Navigation And Ranging Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

4 Ultrasuoni: utilizzati nella Diagnostica per Immagini dagli anni 50 Inizialmente utilizzati per scopi terapeutici, sfruttando il loro effetto termico e distruttivo Frequenza nelle applicazioni diagnostiche si utilizzano US con frequenze tra 1 MHz e 20 MHz Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

5 Suono: fenomeno ondulatorio Forma di energia che si propaga per onde Unonda è unoscillazione caratterizzata da L UNGHEZZA AMPIEZZA FREQUENZA Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

6 Onde sonore ad altissima frequenza Percezione orecchio umano Hz Ultrasuoni > Hz Infrasuoni <20 Hz Molti animali possono udire suoni con frequenza fino a Hz Frequenza voce maschile 100 Hz e femminile 200 Hz Frequenza nota «LA» del diapason 440 Hz Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

7 Sonda formata da cristalli piezolettrici: vibrano quando sottoposti a tensione elettrica (fratelli Pierre e Jacques Curie ) I cristalli posti in un campo elettrico si deformano per lorientamento delle cariche delle molecole a 90°. Cessata la tensione elettrica i cristalli riprendono rapidamente la forma iniziale Questo repentino ritorno elastico fa entrare in risonanza i cristalli, determinando una piccola serie di vibrazioni che generano gli ultrasuoni Il fenomeno può avvenire in ambedue le direzioni Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

8 La velocità di propagazione dipende dalla densità e dalle proprietà elastiche del mezzo Le onde sonore si propagano meglio e più velocemente nei liquidi che nellaria Limpedenza è la resistenza opposta dal mezzo al passaggio; lunità di misura è il Rayl Z = ρ c Z = impedenza acustica ρ = densità (g/cm3) c = velocità del suono nel mezzo Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

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10 Durante lattraversamento lultrasuono viene progressivamente attenuato per: Riflessione Trasmissione Rifrazione La riflessione avviene con un angolo che sarà equivalente a quello incidente dellultrasuono Gli ultrasuoni residui o non riflessi proseguiranno il loro percorso nei tessuti con unintensità ridotta (trasmissione) e con angolo leggermente modificato (rifrazione) L'attenuazione del fascio ultrasonoro avviene secondo la relazione: 1dB/cm/MHz Lattenuazione aumenta all'aumentare del percorso e all'aumentare della frequenza Quindi più è alta la frequenza più è superficiale il campo di vista e viceversa Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

11 Onda Incidente Onda Riflessa Onda Trasmessa e/o Rifratta Onda Diffusa o Scattering Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

12 La sonda trasmette pacchetti di ultrasuoni (di solito, 2 o 3 cicli) per l1% del tempo (circa 1-2 milionesimi di secondo); per il restante 99% ( milionesimi di secondo), la sonda resta in ascolto degli echi di ritorno gli echi provenienti da strutture distali saranno meno intensi che vengono amplificati rispetto a quelli più vicini (T.G.C. Time Gain Compensation) nei liquidi e nei tessuti molli in di secondo percorrono circa 1,5 cm Gli echi prodotti possono essere visualizzati con diverse modalità. A-mode (Amplitude mode) B-mode (Brightness mode) M-mode o TM-mode (Motion o Time Motion mode) Doppler Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

13 LA-mode (amplitude=ampiezza) è la prima modalità di visualizzazione di un eco (SONAR) E la modalità monodimensionale: leco è rappresentato con dei picchi Lampiezza dei picchi è proporzionale allintensità delleco, mentre la profondità è proporzionale alla distanza delle interfacce che hanno generato leco Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

14 Anche nella modalità B (brightness = luminosità) la visualizzazione è monodimensionale gli echi vengono rappresentati in sequenza lungo una linea a seconda della loro distanza dalla sorgente Intensità presentata in scala di grigi: il bianco corrisponde al massimo dellintensità mentre il nero allassenza di echi È la modalità di visualizzazione degli echi più utilizzata in ecografia Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

15 Il formato M-mode non è altro che un B-mode ripetuto ad intervalli di tempo sufficientemente brevi per riprodurre il movimento dellinterfaccia Ivus Aorta Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

16 Christian Johann Doppler ( ) Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia Leffetto Doppler consiste nella variazione di frequenza di una sorgente sonora in moto rispetto ad un osservatore fermo

17 Se la sorgente sonora si avvicina allorecchio dellascoltatore le onde si infittiscono, divenendo perciò più corte; e se le onde sono corte, la loro frequenza è elevata e il suono risulta acuto Nel caso di un allontanamento della sorgente sonora le onde si distendono, la frequenza è bassa e il tono si manifesta con un timbro più grave Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

18 Doppler shift (variazione di frequenza): un'onda riflessa su un oggetto in movimento cambia la propria frequenza in funzione della velocità dell'oggetto che viene calcolata dal computer La velocità è presentata a monitor a colori (in avvicinamento rosso e in allontanamento blu); l'intensità del colore è legata alla frequenza dell'onda di ritorno Il sistema fornisce anche un segnale udibile virtuale (non è reale) Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

19 F = V (2F 0 /C) cos Θ F 0 = Frequenza onda incidente C= Velocità di propagazione del suono V= Velocità di bersaglio Θ= Angolo di incidenza del fascio ultrasonoro con il bersaglio Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

20 Tanto più piccolo è langolo di incidenza tanto migliore è la misurazione della velocità <30°=90-100% La corretta velocità di flusso dipende dalloperatore che sceglie langolo di insonazione Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia Lequazione doppler è derivata dalla condizione ideale in cui un singolo oggetto si muove. Se molti oggetti (eritrociti) si muovono a velocità diverse si ottiene uno spettro di velocità

21 La tecnica velocimetrica si avvale delluso di sonde a emissione continua o pulsata di ultrasuoni Londa riflessa è caratterizzata da un picco sistolico, una frequenza diastolica e una frequenza media che dipendono da: velocità del flusso ematico angolo di incidenza del fascio ultrasonoro valore medio della frequenza di emissione velocità degli ultrasuoni nei tessuti Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

22 Trasmettitore e ricevitore sono due trasduttori fisicamente separati. Le informazioni Doppler vengono ricevute continuamente da tutto il campo di messa a fuoco della sonda La profondità di insonazione dipende dal campo di messa a fuoco e dalla geometria del trasduttore Utile per studiare vasi extracranici e periferici

23 Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia Unico trasduttore che emette un burst ultrasonoro di breve durata e attende leco. Il Doppler riceve informazioni solo da un campione di volume alla profondità selezionata E indispensabile avere unesatta conoscenza della localizzazione del vaso

24 Il Doppler transcranico è una procedura diagnostica non invasiva di recente introduzione (ideata e descritta nel 1982 da Aaslid) Si avvale delluso di sonde pulsate a bassa frequenza (1-2 MHz) e ad alta energia … Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

25 NON INVASIVO RIPETIBILE FLUSSO IN TEMPO REALE DATI NUMERICI CONFRONTABILI NEL TEMPO OPERATORE DIPENDENTE POCO COSTOSO Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

26 Spedali Civili di Brescia Università degli Studi di Brescia 12 Novembre 2010 La Neurosonologia nellambito delle Neuroscienze Fagoni Nazzareno SSDV Neuroanestesia e Neurorianimazione

27 Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

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31 limpulso elettrico viene trasformato in deformazione/vibrazione (energia meccanica); se il cristallo viene investito da ultrasuoni entra in risonanza e, quindi, la deformazione/vibrazione che ne consegue causa una perturbazione nel suo campo elettro-magnetico generando una piccola corrente elettrica.

32 Nella tecnica doppler a ultrasuoni un emettitore invia periodicamente un breve impulso ultrasonico e un ricevitore raccoglie continuamente leco che ritorna da particelle presenti nel fluido lungo il percorso del raggio ultrasonico. Campionando leco che ritorna allo stesso istante dellemissione dellimpulso, si può misurare la deriva delle posizioni di rifrazione. Grazie ad avanzate tecniche DSP di elaborazione digitale del segnale, si calcola il grado di correlazione tra le diverse emissioni per estrarre il valore di velocità. Il vantaggio di questa tecnica è la sua capacità di fornire informazioni spaziali associate ai valori di velocità.

33 Quando avviene il fenomeno della riflessione? La risposta, a prima vista ovvia, è che la riflessione dell'onda sonora avviene quando essa incontra un ostacolo. Tale affermazione è troppo semplicistica per due ordini di motivi: la presenza di un ostacolo non è di per sé condizione sufficiente a garantire la presenza di un apprezzabile fenomeno di riflessione sonora. ruolo fondamentale la dimensione relativa dell'ostacolo rispetto alla lunghezza d'onda dell'onda sonora: il fenomeno della riflessione è significativo solo se la dimensione dell'ostacolo è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda sonora che incide su di esso. Nella progettazione di ambienti aventi determinate caratteristiche acustiche è della massima importanza tener conto del fenomeno della riflessione (anche multipla) che il suono subisce a causa della presenza delle pareti. L'onda riflessa può originarsi anche in presenza di variazioni delle caratteristiche fisiche del mezzo di propagazione dell'onda (riassunte nel concetto di impedenza) senza che vi sia necessariamente la presenza di un ostacolo, normalmente inteso.

34 Il fascio ultrasonoro, qualche diapositiva fa, lo abbiamo descritto come un pennello. In effetti, i peli di questo pennello tendono ad allargarsi poco dopo essere fuoriusciti dalla sonda. Essi restano paralleli fra loro solo per un breve tratto: il fascio resta coerente (cioè, con diametro pari a quello del cristallo) fino ad una distanza che è proporzionale al diametro del cristallo. Il tratto nel quale il fascio è coerente viene detto zona di Fresnel; quello successivo, zona di Fraunhofher. Il punto di passaggio tra le due zone rappresenta la zona focale del fascio ultrasonoro. La focalizzazione, nelle vecchie sonde di tipo meccanico, era fissa. Nelle moderne sonde elettroniche, la presenza di lenti acustiche permette di ottenere più di un punto di focalizzazione a profondità variabili.

35 Consideriamo essenzialmente un generatore (trasmettitore) di onde, un mezzo in cui le onde si propagano, ed un ricevitore. Il sistema trasmettitore-mezzo-ricevitore è riferito ad un sistema di riferimento inerziale rispetto al quale il mezzo sarà considerato in quiete, mentre trasmettitore e ricevitore sono in moto relativo immaginiamo che il generatore emetta con continuità ad intervalli regolari di tempo brevissimi (infinitesimi) impulsi di onde. In questo modo è come se considerassimo una sola cresta di onda avanzare nel mezzo e possiamo così facilmente descrivere la cinematica di questi impulsi. l'effetto Doppler è utilizzato in molte applicazioni: In medicina: per la rilevazione della velocità del flusso sanguigno. Tale principio infatti è sfruttato dai Flussimetri Eco-Doppler (ADV, ovvero Acoustic Doppler Velocimeter), nei quali una sorgente di onde sonore, generalmente ultrasuoni, viene orientata opportunamente. Queste onde acustiche vengono poi riflesse con una nuova frequenza, a seconda della velocità vettoriale delle particelle sanguigne, rilevata e rielaborata in modo da ottenere tale misura di velocità.


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