Immagini ad ultrasuoni Marcello Demi CNR, Institute of Clinical Physiology, Pisa, Italy

Importanza delle tecniche ultrasonografiche a differenza di altre sono innocue, le basse potenze in gioco (10 mW/cm2) sembrano escludere effetti di cavitazione con formazione di bolle gassose ottima risoluzione temporale la tecnica e’ complementare alle altre e fornisce informazioni altrimenti non ottenibili

Gli ultrasuoni sono suoni con frequenza superiore alla banda (20 Hz- 20 kHz) di percezione dell’uomo le particelle del mezzo perturbate da un’onda ultrasonica oscillano intorno alla posizione di equilibrio la velocita’ v di propagazione dipende dalla natura del mezzo (B modulo di bulk o modulo di compressibilita’, capacita’ di un mezzo di resistere ad una compressione uniforme B=-vδp/δv dove v e’ il volume e p e’ la pressione) ( densita’)  e’ la lunghezza d’onda (distanza tra due onde di compressione) e f e’ la frequenza

Il mezzo nei mezzi biologici v e’ circa costante e simile a quella dell’acqua 1500m/s fa eccezione l’osso con v=4000m/s e il polmone v=900m/s l’esigenza di avere risoluzioni dell’ordine di 1 mm impone frequenze superiori a 1 MHz (=1.5 mm) la limitata velocita’ delle onde acustiche consente di misurarne i tempi di propagazione caratteristiche importanti del mezzo sono la velocita’ di propagazione, l’impedenza acustica e l’attenuazione

L’impedenza acustica Il rapporto tra la pressione esercitata dall’onda acustica in un punto del mezzo e la velocita’ della particella corrispondente e’ detta impedenza acustica, in generale l’impedenza acustica e’ una grandezza complessa, nel caso di onde piane progressive l’impedenza e’ reale ed equivale a:  densita’ del mezzo

Caratteristiche di alcuni mezzi di interesse clinico

Generazione di ultrasuoni effetto piezoelettrico, proprieta’ di alcuni materiali di generare una tensione elettrica in seguito ad una pressione e viceversa generando onde di pressione trasduttore costituito da una piastrina ceramica eccitata da due elettrodi posti su due facce parallele elemento posteriore di backing per smorzare le oscillazioni il trasduttore funziona sia da generatore che da ricevitore velocita’ nel PZT 4000m/s, frequenza di risonanza quando lo spessore e’ /2

Geometria del fascio due zone: prossimale e distale relazione tra diametro del trasduttore, lunghezza d’onda e lunghezza del tratto prossimale (distanza focale) la focalizzazione (concentrazione dell’energia) puo’ essere sia statica che dinamica

Focalizzazione statica Nel caso di focalizzazione con lente la distanza focale dipende dalle caratteristiche della lente (materiale e curvatura)

Propagazione degli ultrasuoni processi di assorbimento, diffusione, riflessione e rifrazione assorbimento: l’intensita’ dell’onda decresce con la distanza, l’energia persa si trasforma in calore diffusione: avvengono quando l’onda incontra particelle di dimensioni simili a  (parte dell’energia diffusa torna al trasduttore) nella maggioranza dei mezzi biologici (non in acqua) nel range 1-10 MHz il coefficiente di attenuazione, dovuto a diffusione ed assorbimento, e’ proporzionale alla frequenza

Riflessione e Rifrazione in un mezzo omogeneo un’onda US si propaga in linea retta gel tra trasduttore e pelle (adattamento dell’impedenza acustica) quando il fronte d’onda incontra una interfaccia (discontinuita’ di impedenza acustica) parte dell’energia viene trasmessa e parte riflessa angolo di incidenza uguale all’angolo di riflessione angolo di trasmissione diverso dall’angolo di incidenza (rifrazione)

Legge di Snell la rifrazione dell’onda ad una intefaccia e’ una funzione della differenza di velocita’ nei due mezzi la riflessione e’ una funzione della differenza di impedenza acustica dei due mezzi

Legge di Snell

Impedenza, frequenza, profondita’ Se Z1>>Z2 o Z2>>Z1 come nel caso di muscolo/osso aria/tessuto tutta l’energia incidente e’ riflessa si tende ad usare frequenze alte (lunghezza d’onda piccola) per distinguere interfacce vicine l’attenuazione aumenta con la frequenza e quindi diminuisce la profondita’ esplorabile coeff. tipico 1 db cm-1 MHz-1 se f=10MHz l’attenuazione di un eco da 10 cm di profondita’ e’ di 200 db 2.5-5 MHz in cardiologia (12-6 cm)

Coefficiente di attenuazione

Eco impulsi

Tecnica ad eco-impulsi il cristallo emette un impulso e poi si pone in ricezione per acquisire gli echi il tempo intercorso tra emissione e ricezione misura la profondita’ dell’interfaccia (ovviamente nell’ipotesi di velocita’ di propagazione nota e costante in tutto il mezzo attraversato) l’ampiezza dell’eco corretta per l’attenuazione misura la differenza di impedenza acustica dell’interfaccia

Eco impulsi

Caratteristiche del sistema time-gain compensation TGC: il segnale di ritorno e’ amplificato con guadagno proporzionale al ritardo range dinamico: elevato ( 80 db), problema del TGC, quantizzazione 6 bit demodulatore: demodulatore di ampiezza o di inviluppo scan converter: converte l’inviluppo del segnale in immagine digitale

Problema del TGC il range dinamico teorico e’ di circa 80 db dove vmin e’ il livello minimo rilevabile per la presenza di rumore questo e’ vero se vmin e’ generato in prossimita’ della sonda dal segnale di livello v0 se il vmin relativo ad una sonda da 5MHz e’ generato dal segnale v1 ad una distanza di 8 cm allora, nella condizione standard di attenuazione di 1 db cm-1 Mhz-1, v1 e’ un livello attenuato di 40 db (1·5·8) il vero livello minimo rilevabile e’ quindi

Risoluzione spaziale si definiscono tre risoluzioni spaziali: assiale, laterale o azimutale, elevazione

Risoluzione spaziale risoluzione assiale: dipende dalla durata dell’impulso, minore durata maggiore risoluzione, minore durata maggiore la banda e minore la penetrazione (tipica durata 2-3 ) risoluzione laterale: dipende dalla focalizzazione che puo’ essere statica, a controllo di fase e ad apertura dinamica risoluzione elevazione: focalizzazione statica

Scansione meccanica e phased array trasduttore singolo con movimento meccanico a) trasduttore multiplo con singoli elementi attivati in rapida successione temporale (trasduttore ad array) b) e c) scansione di tipo parallelo b) o settoriale c)

Scansione parallela o settoriale scansione settoriale da finestre acustiche in cardiologia scansione parallela usata in ostetricia e vascolare

Trasduttore phased-array la tecnica phased array e’ usata nella scansione parallela su gruppi di elementi contigui per focalizzare il fascio e in quella settoriale sia per focalizzare che per deflettere il fascio focalizzazione in trasmissione con piu’ eccitazioni focalizzazione dinamica in ricezione

Display A Mode: il segnale di un trasduttore e’ inviato ad uno oscilloscopio, posizione ed ampiezza sullo schermo sono profondita’ e intensita’ dell’eco B Mode: il segnale e’ inviato ad un monitor a formare una immagine 2D, posizione e livello di grigio sono localizzazione e intensita’ dell’eco M Mode: il segnale di una sola linea e’ inviato ad un monitor, il livello di grigio e’ l’intensita’ dell’eco, l’asse y e’ la profondita’ e l’asse x e’ il tempo

A Mode

B Mode

M Mode

Risoluzione temporale alla frequenza di 3 MHz se la durata dell’impulso e’ uguale a 3 periodi il tempo per trasmetterlo e’ di 1 s la durata dell’impulso e’ trascurabile rispetto al tempo di andata e ritorno dell’impulso (200 s) dalla profondita’ di 15 cm con una velocita’ media di 1500 m/s possiamo inviare 5000 impulsi/s se ogni immagine e’ di 120 linee possiamo acquisire 40 immagini/s

Mezzo di contrasto ed eco in seconda armonica agenti di contrasto: microbolle di gas iniettate in vena le microbolle soggette a pressione acustica sono soggette a contrazioni e a espansioni con frequenza di risonanza 2-10 MHz le oscillazioni delle microbolle sono asimmetriche (non linearita’) e generano risposte a frequenze multiple della fondamentale il segnale in seconda armonica e’ relativo alle sola distribuzione delle microbolle necessarie sonde multifrequenza

Mezzo di contrasto ed eco in seconda armonica A basse potenze le microbolle hanno un comportamento lineare e l’eco generato da un segnale sinusoidale continuo e’ il risultato della modulazione di ampiezza della portante a potenze alte il comportamento non e’ lineare e l’eco generato dal medesimo segnale e’ il risultato della modulazione di ampiezza di armoniche multiple della portante (o fondamentale)

Eco in seconda armonica la forma d’onda si deforma durante l’attraversamento del mezzo e genera un segnale incidente composto dall’armonica fondamentale e da armoniche multiple della fondamentale

Eco in seconda armonica Necessarie sonde multifrequenza, maggiore risoluzione, si vedono meglio le pareti orientate nella direzione del fascio per effetto della diffusione

Flussimetria Doppler globuli rossi hanno diametro inferiore (10m) a  e riflettono in tutte le direzioni doppio effetto Doppler: globulo rosso riceve e diffonde onde acustiche con frequenza Doppler f variazione di frequenza (0-20 KHz) f0 e’ la portante (2-10 MHz) fD e’ la frequenza modificata v e’ la velocita’ del sangue (< 1 m/s) v0 e’ la velocita’ degli US (~1540 m/s)  e’ l’angolo tra flusso e fascio US elaborazione dello spettro del segnale riflesso

La sonda emette un fascio ultrasonico a frequenza f0 che si propaga nel mezzo a una velocita’ v con lunghezza d’onda pari a . Il globulo rosso pero’ e’ in movimento con velocita’ vs in avvicinamento alla sonda e pertanto vede una velocita’ di propagazione diversa da v e pari a vs+v. Del resto pero’ la lunghezza d’onda  del fascio di ultrasuoni e’ ancora uguale ad v/f0 e quindi il globulo rosso vede una frequenza f1 data da Il globulo rosso quindi vede e riflette il fascio di frequenza f1 che si propaga nel mezzo ancora a velocita’ v, essendo quest’ultima una caratteristica del mezzo. Il globulo rosso pero’ si muove verso la sonda e pertanto la lunghezza d’onda del fascio generato risultera’ essere minore di v/f1. La lunghezza d’onda del fascio generato sara’ invece pari a (v-vs)/f1 e quindi la frequenza del fascio percepita dalla sonda risulta essere

Pertanto e quindi, considerato che la velocita’ del sangue vs (vs1 m/s) e’ molto minore della velocita’ di propagazione v (v>1500 m/s) degli ultrasuoni nei tessuti e nel sangue, si ha uno shift Doppler

Flussimetria con Doppler ad onda continua 2 cristalli: uno emittente e l’altro ricevente consente di misurare velocita’ elevate misura la velocita’ media relativa al volume sonorizzato (v~1 m/s, raramente 10 m/s) non consente di ottenere profili di velocita’ shift in frequenza 0-20 KHz: il segnale puo’ essere inviato ad un altoparlante facilita’ di puntamento

Flussimetria con Doppler ad onda continua

Se i(t) onda acustica incidente caso ideale di un unico filetto di globuli rossi che si muovono a velocita’ costante l’eco di ritorno e(t) sara’ composto da una sola armonica con frequenza diversa dall’onda acustica incidente fd e’ la frequenza Doppler da cui ricavare la velocita’ dei globuli rossi Nella realta’ e(t) ha uno spettro continuo non simmetrico centrato su f0 da demodulare in fase e in quadratura per riportare il segnale in banda base e successivamente campionarlo per stimare i campioni di H(f) con la FFT

Spettro in funzione del tempo

Flussimetria con Doppler pulsato il trasduttore e’ un unico cristallo che funziona da trasmettitore e da ricevitore sistemi monogate: consentono di misurare velocita’ in volumi campione campionando il segnale riflesso con ritardo costante sistemi multigate: consentono di ottenere profili di velocita’ difficolta’ di puntamento e per questo vengono contemporaneamente visualizzate informazioni morfologiche massima velocita’ misurabile ???

massima velocita’ misurabile ??? Flussimetria con Doppler pulsato massima velocita’ misurabile ??? a differenza del doppler continuo con il pulsato possiamo acquisire soltanto campioni del segnale eco l’intervallo di campionamento dipende dalla profondita’ del gate (dalla frequenza della portante), limita la banda del segnale ricostruibile, ovvero la massima velocita’ rilevabile necessario acquisire piu’ campioni temporali sulla stessa riga per l’analisi spettrale Duplex scanning, in un tipico array di trasduttori per b-mode uno o piu’ di questi sono usati per acquisire il segnale Doppler a diversa frequenza

Flussimetria con Doppler pulsato

Profilo spettrale

Eco color Doppler necessario ripetere N volte l’acquisizione di ogni linea (N campioni di ogni gate) N e la dimensione della finestra color Doppler limitano il frame rate flussimetria: si visualizza lo spettro del segnale color doppler: visualizza la velocita’ media del sangue, N limitato non consente l’analisi spettrale, tecniche di correlazione su finestre di due o piu’ echi successivi associa informazioni emodinamiche ad informazioni morfologiche visualizza il sangue a colori: rosso se il flusso e’ diretto verso la sonda, blu nel caso opposto, l’intensita’ del colore e’ proporzionale alla velocita’ semplifica l’identificazione dei vasi

Power Doppler si misura la potenza del segnale Doppler (non la variazione di frequenza) integrando la densita’ spettrale di potenza si stima il numero di eritrociti (o di microbolle) coinvolti nel flusso il processo di integrazione aumenta il rapporto segnale rumore (S/2n) e quindi la sensibilita’ del metodo rispetto al color Doppler: es. perfusione renale immagine in unico colore con intensita’ variabile in funzione della potenza del segnale Doppler

Tissue Doppler basato sulle basse frequenze del segnale riflesso usato per studiare il movimento del muscolo cardiaco