Università degli Studi di Napoli “Federico II” Corso di Laurea in Tecniche di Neurofisiopatologia Gli ultrasuoni nella diagnostica medica Prof. Ugo Oliviero

Fisica Medica: Definizioni Suono: percezione uditiva di un fenomeno fisico che consiste nella possibilità da parte di un mezzo (solido, liquido o gassoso), di trasmettere l’oscillazione di una pressione cui è sottoposto. Da un punto di vista prettamente fisico il suono è un’onda meccanica longitudinale la quale comporta un movimento vibratorio periodico di strutture molecolari attraverso cicli di compressione e rarefazione, che possono essere rappresentati come un’onda sinusoidale. Rarefazione Periodo λ Compressione

Periodo Lunghezza d’onda=λ Ampiezza PERIODO: Intervallo di tempo necessario per compiere un’oscillazione completa. L’unità di misura è il secondo [s]. LUNGHEZZA D’ONDA: per convenzione è la distanza compresa tra i fronti d’onda di 2 oscillazioni consecutive e viene indicata con la lettera greca Lambda: λ . L’unità di misura è il metro [m]. FREQUENZA: E’ il numero delle oscillazioni nell’unità di tempo. Essendo la frequenza legata alla lunghezza d’onda, nel caso di un’onda lunga, conteremo un basso numero di oscillazioni (bassa frequenza), nel caso di un’onda corta la frequenza sarà maggiore (alta frequenza). L’unità di misura è l’Hertz (numero di oscillazioni al secondo) AMPIEZZA : E’ l’escursione massima dell’onda. Dall’ampiezza deriva l’intensità che, nel caso di un’onda sonora, rappresenta la pressione esercitata dall’onda stessa su una superficie. L’ampiezza è misurata in metri, l’intensità è il rapporto tra ampiezza e superficie: tanto maggiore è l’ampiezza dell’onda, tanto maggiore è la pressione esercitata su quella data superficie. L’unità di misura è il metro[m].

La velocità di propagazione degli US è data da: INTENSITÀ: L’intensità di un’onda sonora è definita come la potenza media (Watt o W) per unità di area (metro quadrato o m2). Ha come unità di misura il Decibel (dB) nello spettro acustico dell’uomo. L’intensità sonora nell’acustica ultrasonica viene misurata in watt per metro quadrato(W/m2). VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE: La velocità di propagazione è la velocità con la quale il suono si propaga in un mezzo e dipende dalla densità del mezzo e dal modulo di compressione ossia dalla rigidità/elasticità del mezzo (k=costante del mezzo) La velocità di propagazione degli US è data da: Lunghezza d’onda Frequenza Nei tessuti biologici la velocità è circa 1540 m/s eccetto l’osso in cui ν = 4000 m/s ed il tessuto adiposo in cui v =1480 m/s

Fisica Medica Il suono cosi’ come udito dall’ orecchio umano è compreso tra una frequenza di 15 e 25.000 Hertz. Gli ultrasuoni sono onde sonore con una frequenza più elevata del limite superiore del campo di udibilità dell’uomo; quindi superiore ai 20.000 Herzt. In medicina, nella diagnostica per immagini si utilizzano frequenze ultrasoniche comprese tra i 2,5 ed 20 MHz (1 MHz = 1.000.000 Hz)

Fisica Medica:Propagazione degli ultrasuoni B C IDIFFUSA A E D Le interazioni fondamentali che intervengono tra un fascio di ultrasuoni ed il mezzo in cui si propaga sono: A) Onda Incidente B) Onda Riflessa >importante per la genesi delle immagini di parete C) Onda Diffusa > importante nella genesi delle immagini parenchimali D) Onda Assorbita E) Onda Trasmessa o Rifratta

Propagazione dell’onda: attenuazione acustica Fisica Medica: Interazioni tra ultrasuoni e mezzi Propagazione dell’onda: attenuazione acustica L’Attenuazione, in acustica, si intende una diminuzione in ampiezza subita da un'onda sonora in dipendenza delle caratteristiche proprie, della sorgente e di quelle del mezzo che attraversa. Ne deriva un decadimento esponenziale dell’ampiezza dell’onda che si propaga. Nei tessuti l’energia acustica viene trasformata principalmente in calore a causa della viscosità. Il grado di attenuazione dipende dalle caratteristiche del tessuto. Il valore medio di attenuazione è dell’ordine di 1dB per ogni cm di spessore del mezzo attraversato e per ogni megahertz di frequenza della sorgente ultrasonora. Un’importante conseguenza di tale comportamento è che maggiore è la frequenza minore è la profondità esplorabile. Pertanto nello studio di un distretto vascolare superficiale le frequenze utilizzate sono elevate (tra i 5 ed i 10 MHz), nello studio di un distretto profondo (ad es circolo cerebrale) si utilizzano frequenze intorno ad i 2 MHz. A E

Propagazione dell’onda: impedenza acustica Fisica Medica: Interazioni tra ultrasuoni e mezzi Propagazione dell’onda: impedenza acustica L’impedenza acustica è costituita dall’insieme delle forze che si oppongono alla trasmissione dell’onda ultrasonica. L’impedenza acustica è la caratteristica che ci permette di distinguere i diversi tessuti. In corrispondenza delle superfici di separazione tra mezzi ad impedenza acustica diversa (interfacce acustiche), infatti, hanno luogo i fenomeni di riflessione e di diffusione da cui originano gli echi, fondamento delle immagini ecografiche. L’impedenza acustica (Z), è la forza con la quale ogni mezzo si oppone al passaggio degli ultrasuoni, è data dal prodotto della densità del mezzo per la velocità di propagazione degli ultrasuoni e si misura in Rayls: Densità del mezzo(g/cm3) Velocità del suono del mezzo(m/sec)

Fisica Medica: Interazioni tra ultrasuoni e mezzi La percentuale di onde riflesse dai tessuti molli dell’organismo è circa l’1%. Le elevate percentuali di riflessione dell’osso e dell’aria non ne permettono uno studio ecografico. La vibrazione generata dalla pressione dell’onda sonora viene attenuata dalle forze di coesione molecolare, per cui parte dell’energia viene trasformata in calore che esprime, insieme alla vibrazione, l’assorbimento dell’energia dipendono dal tipo di tessuto ed aumentano con l’aumentare della frequenza. L’assorbimento e la rifrazione. Sonde che utilizzano frequenze elevate non possono essere utilizzate per lo studio dei tessuti profondi.

Fisica Medica: l’Effetto Doppler L’effetto Doppler (dal nome del fisico e matematico austriaco Christian Doppler che per primo lo ha descritto) è il cambiamento apparente della frequenza o della lunghezza d'onda di un'onda percepita da un osservatore che si trova in movimento rispetto alla sorgente delle onde e viceversa. L’effetto si verifica sia quando è la sorgente sonora che si muove ed il ricevitore è fermo (ambulanza in arrivo) sia quando la sorgente è ferma ed il ricevitore è in movimento (suono del campanile mentre si transita nel corso principale del paese). L’effetto Doppler, quindi, è quel fenomeno fisico per cui la frequenza del suono di una sorgente sembra aumentare mentre si avvicina ad un ascoltatore o, al contrario, sembra ridursi quando si allontana. Il cambiamento apparente di frequenza viene detto Doppler shift (spostamento, differenza Doppler).

Fisica Medica: l’Effetto Doppler Nel nostro caso, la sorgente sonora è la sonda, provvista di un cristallo piezoelettrico generatore di ultrasuoni, ed il ricevitore in movimento è il sangue. I globuli rossi rappresentano le interfacce sulle quali si generano gli echi la cui frequenza sembrerà aumentare, in caso di flussi in avvicinamento alla sorgente sonora (sonda) o ridursi, in caso di flussi in allontanamento. La variazione (Doppler Shift=fd) della frequenza dell’effetto Doppler dipende dalla velocità del flusso (maggiore è la velocità, maggiore lo shift) secondo la formula In ecodoppler vascolare, l’effetto Doppler viene utilizzato per rivelare la presenza di flussi ematici e definirne le caratteristiche. f0 = Frequenza onda incidente c = Velocità di propagazione del suono V = Velocità di bersaglio Θ = Angolo di incidenza del fascio ultrasonoro con il bersaglio

Calcolo della velocità del flusso Fisica Medica: l’Effetto Doppler Calcolo della velocità del flusso Sviluppando la formula: è possibile calcolare la velocità del flusso: __fd x c__ 2 f0  x cos Θ La velocità del flusso ematico è un importante parametro fisiologico. L’angolo di direzione del fascio ultrasonoro verso il flusso di sangue (cos Θ), influenza il calcolo della velocità. Se l’angolo d’incidenza fosse pari a 0° la direzione degli ultrasuoni sarebbe parallela al flusso e la velocità calcolata corrisponderebbe alla velocità reale. Naturalmente non è possibile orientare una sonda in maniera assolutamente parallela al flusso ematico, e quindi tra sonda emittente e flusso c’è sempre un angolo di incidenza. Con l’aumento dell’angolo di incidenza si riduce la stima della velocità; ad esempio con un angolo pari a 60° la velocità stimata è pari al 50% della reale; al di sopra di 60° la riduzione della stima è tale che non può essere compensata da correzioni matematiche. L’angolo di incidenza utilizzato in pratica è compreso tra 40 e 60°. V=

L’effetto Doppler può essere visualizzato con diverse modalità… Fisica Medica: l’Effetto Doppler Esempi di visualizzazione Doppler L’effetto Doppler può essere visualizzato con diverse modalità… Doppler Pulsato (Pulsed Wave – PW); Doppler Continuo (Continuous Wave – CW); Color Doppler (CD); Power Doppler (PD). … ma questa è un’altra Storia …

… alla prossima avventura!!! Grazie per l’attenzione.