FISICA DEGLI ULTRASUONI ed ARTEFATTI A.S.P.- AZIENDA SANITARIA PROVINCIALE- COSENZA- Presidi Ospedalieri Castrovillari Unità Operativa Complessa di Diagnostica per Immagini FISICA DEGLI ULTRASUONI ed ARTEFATTI L. Perretti- F. Calliada

Cosa sono gli ultrasuoni? Gli ultrasuoni o ultrasonografia è una tecnica medica di imaging che usa le onde sonore e gli echi da esse prodotte La tecnica è molto simile a quella che usano in natura i delfini o i pipistrelli per localizzare gli ostacoli o le prede ( Spallanzani 1794) Nella nautica è denominata SONAR (SOund Navigation And Ranging) La natura ha ispirato le prime applicazioni degli ultrasuoni: lo scienziato italiano Lazzaro Spallanzani dimostrava, nel 1794, che i pipistrelli usavano gli ultrasuoni per orientarsi nel volo notturno. Successivamente, si scoprì che moltissime specie di pipistrelli e molti cetacei usano sistemi di ecolocalizzazione degli ostacoli o delle prede: inviano degli ultrasuoni prodotti dal loro sistema vocale e, quindi, ne percepiscono gli echi che si formano sulle superfici dell’ambiente o delle prede, avendone informazioni sulla distanza e sulla morfologia*.
Le prime applicazioni degli ultrasuoni sono state di tipo militare. Il SONAR (SOund Navigation And Ranging) è stato sviluppato tra le due guerre mondiali e montato sulle navi per l’individuazione di sottomarini o su questi ultimi per l’individuazione di ostacoli, naturali o artificiali (mine), durante la navigazione in profondità. Il suo funzionamento è basato sulla emissione di ultrasuoni e nella successiva rilevazione di eventuali echi provenienti da superfici presenti in mare.

Lunghezza ampiezza frequenza Gli Ultrasuoni Le onde sonore sono onde meccaniche che si formano per il trasferimento di energia generata dalle oscillazioni (compressioni e decompressioni) di un mezzo che viene perturbato. Il suono per viaggiare ha bisogno della presenza di un mezzo e la propagazione dell’onda potrà avvenire in modo longitudinale o trasversale. Un’onda è un’oscillazione caratterizzata da Lunghezza ampiezza frequenza Gli ultrasuoni, come tutte le onde sonore, possono essere descritti come dei fenomeni di compressione e rarefazione della materia (vedi, nella figura in alto, il grafico A) ovvero, su un piano cartesiano, come una linea sinusoidale i cui i picchi positivi coincidono con la massima compressione e quelli negativi con la massima rarefazione (vedi, nella figura in alto, il grafico B).
Di un’onda sonora (e, quindi, anche di un ultrasuono) possiamo definire la frequenza (in Hertz, numero di cicli al secondo), la lunghezza d’onda (la distanza, in metri, tra due picchi di compressione o rarefazione), la velocità di propagazione (frequenza x lunghezza d’onda = metri al secondo), l’intensità (ovvero l’ampiezza delle onde, in watt/cm2, in Pascal o, più comunemente, in deciBel) ed il periodo (tempo che intercorre tra il passaggio di due fronti d’onda nello stesso punto).

Gli Ultrasuoni Physics of Ultrasound: Longitudinal and Shear Waves

Gli Ultrasuoni Onde sonore ad altissima frequenza Percezione orecchio umano 20-20.000 Hz Ultrasuoni >20.000 Hz Infrasuoni <20 Hz Molti animali ( cane) possono udire suoni con frequenza fino a 100.000 Hz Frequenza voce maschile 100 Hz e femminile 200 Hz Frequenza nota «LA» del diapason 440 Hz

Gli Ultrasuoni Gli ultrasuoni utilizzati in Diagnostica per Immagini, presentando frequenze elevatissime (nell’ordine di milioni di Hertz!) hanno, di conseguenza, lunghezza d’onda cortissima (frazioni di millimetro). 
Questo, come vedremo in seguito, rappresenta il principale requisito per il potere di risoluzione spaziale della tecnica.
Pertanto, maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d’onda e maggiore è la risoluzione spaziale dell’immagine ottenibile.

Principi di Funzionamento Sonda formata da cristalli piezolettrici: vibrano quando sottoposti a tensione elettrica (fratelli Pierre e Jacques Curie - 1880) I cristalli posti in un campo elettrico si deformano per l’orientamento 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 . Nella sonda sono presenti dei cristalli che hanno la proprietà di vibrare se sottoposti a una tensione elettrica. Questi cristalli sono detti piezolettrici e la loro struttura molecolare è tale per cui le cariche elettriche sono disposte in maniera ordinata e polarizzata: in pratica, ogni molecola rappresenta un piccolo dipolo. L'effetto piezoelettrico venne scoperto nel 1880 dai fratelli Pierre e Jacques Curie su dei cristalli di quarzo.
Quindi, se questi cristalli vengono posti in un campo elettrico, si deformano perché le cariche delle molecole si orientano a 90° rispetto al campo elettrico. Appena la tensione elettrica cessa, i cristalli riprendono rapidamente la forma originale. Questo repentino ritorno elastico fa entrare in risonanza i cristalli, determinando una piccola serie di vibrazioni che, perciò, genereranno degli ultrasuoni.
Il fenomeno può avvenire in ambedue le direzioni: l’impulso 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.
Questa proprietà dei materiali piezoelettrici fa sì che le sonde funzionino sia da emettitrici che da antenne.

Principi di Funzionamento Il trasduttore contiene cristalli piezoelettrici che producono impulsi ultrasonori ( per 1% del tempo) Questi elementi convertono l’energia elettrica in onde meccaniche ultrasonore

Principi di Funzionamento Gli echi riflessi ritornano alla sonda , dove gli elementi piezoelettrici convertono l’onda ultrasonora di ritorno in segnale elettrico Il segnale elettrico viene processato dal sistema ecografico

Principi di Funzionamento The thickness of the crystal determines the frequency of the scanhead Low Frequency 3 MHz High Frequency 10 MHz

Frequenza vs. Risoluzione La frequenza determina anche la QUALITA’ della immagine ecografica Più alta è la frequenza , migliore sarà la risoluzione Più bassa è la frequenza , minore sarà la risoluzione

Frequenza vs. Risoluzione Con trasduttori da 12 MHz si ha un’ottima risoluzione ,ma non si può avere una penetrazione in profondità Con trasduttori da 3 MHz si ha una buona penetrazione ma la risoluzione non è ottimale

Propagazione degli Ultrasuoni 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 nell’aria L’impedenza è la resistenza opposta dal mezzo al passaggio; l’unità di misura è il Rayl Z = ρ c Z = impedenza acustica ρ = densità (g/cm3) c = velocità del suono nel mezzo La velocità di propagazione di un’onda sonora dipende dalla densità atomica e dalle proprietà elastiche del mezzo. La velocità viene espressa in metri al secondo (m/s). La velocità di propagazione degli ultrasuoni è costante in un mezzo omogeneo e proporzionale alla densità dello stesso. Le onde sonore si propagano meglio e più velocemente nei liquidi piuttosto che nell’aria. Quindi, i tessuti molli, che sono costituiti per la massima parte di acqua, si prestano in maniera particolare allo studio ecografico.
Tuttavia, ogni mezzo oppone una certa “resistenza” alla propagazione di un’onda sonora. Questa resistenza è detta “impedenza”. L’impedenza rappresenta una proprietà fondamentale della materia ed è alla base della formazione degli echi. L’impedenza è direttamente proporzionale alla densità del materiale attraversato e alla velocità del suono. La sua unità di misura è il Rayl (dal nome dello scienziato inglese Rayleigh al quale si devono le basi teoriche della fisica dei suoni). La formula per calcolare il Rayl è: Z = ρ c dove
Z = impedenza acustica
ρ = densità (g/cm3)
c = velocità del suono nel mezzo.

Propagazione degli Ultrasuoni Densità (kg/m3) Impedenza (kg/m2s) Velocità (m/s) ARIA 1.2 0.0004 330 GRASSO 920 1.35 1460 FEGATO 1060 1.64 1550 MILZA 1.66 1560 SANGUE 1.62 RENE 1040 MUSCOLO 1070 1.7 1590 OSSO 1380-1810 3.75-7.38 2700-4100

Il Mezzo Attraversato Durante l’attraversamento l’ultrasuono viene progressivamente attenuato per: Riflessione Trasmissione Rifrazione La riflessione avviene con un angolo che sarà equivalente a quello incidente dell’ultrasuono Gli ultrasuoni residui o non riflessi proseguiranno il loro percorso nei tessuti con un’intensità ridotta (trasmissione) e con angolo leggermente modificato (rifrazione) L'attenuazione del fascio ultrasonoro avviene secondo la relazione: 1dB/cm/MHz L’attenuazione 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 La riflessione avviene con un angolo che sarà equivalente a quello incidente dell’ultrasuono. Tuttavia, i tessuti presentano delle superfici di interfaccia complesse e di dimensioni inferiori a quelle della lunghezza d’onda per cui, oltre alla riflessione principale, vi saranno multipli piccoli echi riflessi secondo multipli angoli (echi diffusi) la maggior parte dei quali non ritorna verso la sonda e, quindi, non viene registrata. Per la formazione dell’immagine sono importanti solo gli echi che tornano verso la sonda.
Gli ultrasuoni residui o non riflessi proseguiranno il loro percorso nei tessuti con un’intensità ridotta (trasmissione) e con angolo leggermente modificato (rifrazione). La rifrazione, come vedremo più avanti, è responsabile di alcuni artefatti.

Propagazione delle Onde Sonore Onda Incidente Onda Riflessa Onda Trasmessa e/o Rifratta Onda Diffusa o Scattering

Ultrasuoni e formazioni degli echi La sonda trasmette “pacchetti” di ultrasuoni (di solito, 2 o 3 cicli) per l’1% del tempo (circa 1-2 milionesimi di secondo); per il restante 99% (100-200 milionesimi di secondo), la sonda resta in ascolto degli echi di ritorno gli echi provenienti da strutture distali saranno meno intensi e vengono amplificati rispetto a quelli più vicini (T.G.C. Time Gain Compensation) nei liquidi e nei tessuti molli in 10-7 di secondo percorrono circa 1,5 cm Durante il funzionamento, la sonda trasmette piccoli “pacchetti” di ultrasuoni (di solito, 2 o 3 cicli) per l’1% del tempo (in genere, circa 1-2 milionesimi di secondo); per il restante 99% (100-200 milionesimi di secondo), la sonda resta in ascolto degli echi di ritorno*. Gli echi ritornati alla sonda fanno entrare in risonanza i cristalli piezoelettrici determinando la produzione di un segnale elettrico. A seconda del ritardo con cui arrivano alla sonda, gli echi vengono disposti nella matrice dell’immagine (echi precoci = zone vicine; echi tardivi = zone profonde). A causa dell'attenuazione degli ultrasuoni nei tessuti, gli echi provenienti da strutture distali saranno meno intensi di quelli provenienti da strutture simili ma più prossimali. Per compensare ciò, gli echi lontani vengono amplificati rispetto a quelli più vicini (T.G.C. Time Gain Compensation).

formazione delle immagini La profondità di provenienza dell’eco è determinata in base all’intervallo di tempo tra emissione dell’impulso di US e arrivo dell’eco trasmissione ricezione Gli echi si formano quando il fascio di US raggiunge l’interfaccia tra mezzi a diversa impedenza acustica riflessione del fascio di US (intensità degli echi) 1 2 3 4 5

formazione delle immagini 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 Durante il funzionamento, la sonda trasmette piccoli “pacchetti” di ultrasuoni (di solito, 2 o 3 cicli) per l’1% del tempo (in genere, circa 1-2 milionesimi di secondo); per il restante 99% (100-200 milionesimi di secondo), la sonda resta in ascolto degli echi di ritorno*. Gli echi ritornati alla sonda fanno entrare in risonanza i cristalli piezoelettrici determinando la produzione di un segnale elettrico. A seconda del ritardo con cui arrivano alla sonda, gli echi vengono disposti nella matrice dell’immagine (echi precoci = zone vicine; echi tardivi = zone profonde). A causa dell'attenuazione degli ultrasuoni nei tessuti, gli echi provenienti da strutture distali saranno meno intensi di quelli provenienti da strutture simili ma più prossimali. Per compensare ciò, gli echi lontani vengono amplificati rispetto a quelli più vicini (T.G.C. Time Gain Compensation). Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

A - mode L’A-mode (amplitude=ampiezza) è la prima modalità di visualizzazione di un eco (SONAR) E’ la modalità monodimensionale: l’eco è rappresentato con dei picchi L’ampiezza dei picchi è proporzionale all’intensità dell’eco, mentre la profondità è proporzionale alla distanza delle interfacce che hanno generato l’eco

B - mode 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 dell’intensità mentre il nero all’assenza di echi È la modalità di visualizzazione degli echi più utilizzata in ecografia

B-Mode Real-time La modalità B in Real Time è la naturale evoluzione del B-mode. Nel B-mode RT, la singola linea di scansione è affiancata a molte altre così da formare un “pennello” o un “ventaglio” che fornirà, quindi, immagini bidimensionali di sezioni di un organo o di un tessuto (immagine di tipo tomografico). Gli echi dei singoli fasci ultrasonori arrivano ai cristalli della sonda, con una sequenza opportunamente temporizzata, continuamente processati ed elaborati, così da fornire “frame” che, se in numero adeguato (almeno 15 per secondo), daranno una sensazione di “fluidità” alle immagini visualizzate sul monitor.
Nei moderni apparecchi ecografici il segnale analogico degli echi viene convertito in segnale digitale prima di formare l’immagine. La risoluzione più utilizzata in ecografia è 512 x 512 (262144 pixel) a 8 bits (256 livelli di grigio).

Caratteristiche del fascio Il fascio ultrasonoro lo abbiamo descritto come un “pennello”. In effetti, i peli di questo pennello tendono ad allargarsi poco dopo essere fuoriusciti dalla sonda. 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”.

Caratteristiche del fascio l fascio ultrasonoro emesso dalla sonda ha 3 dimensioni: Assiale (Y, profondità) Laterale (X, larghezza) Altezza (Z, spessore) La profondità dipende dalla frequenza. La larghezza e lo spessore dipendono dalle dimensioni del cristallo emettente.

Caratteristiche del fascio La risoluzione spaziale (capacità di distinguere come separati due oggetti molto vicini) dipende dalla:
 - risoluzione assiale (lungo l’asse del fascio: Y);
 - risoluzione laterale (lungo i piani perpendicolari al fascio: X e Z).


La risoluzione assiale è data dalla capacità di distinguere due punti lungo l’asse Y del fascio ultrasonoro. Questo tipo di risoluzione dipende dalla frequenza degli ultrasuoni: più la frequenza è elevata, minore sarà la lunghezza d’onda e, quindi, maggiore la risoluzione assiale. La risoluzione assiale attesa non può superare la metà della lunghezza d’onda

La risoluzione assiale è data dalla capacità di distinguere due punti lungo l’asse Y del fascio ultrasonoro. Questo tipo di risoluzione dipende dalla frequenza degli ultrasuoni: più la frequenza è elevata, minore sarà la lunghezza d’onda e, quindi, maggiore la risoluzione assiale. La risoluzione assiale attesa non può superare la metà della lunghezza d’onda

La risoluzione laterale La risoluzione laterale definisce la capacità di distinguere come separati due punti posti nel piano X e Z del fascio ultrasonoro. Come abbiamo detto, essa dipende dalle dimensioni dei cristalli piezoelettrici


Risoluzione spaziale e frequenza Calcolo vescicale, sx con sonda a 6,5 MHz, dx a 11 MHz