ECOGRAFIA.

Presentazione sul tema: "ECOGRAFIA."— Transcript della presentazione:

1 ECOGRAFIA

2 longitudinale trasversale
Descriviamo attraverso il concetto di ONDA MECCANICA il trasferimento di energia dovuto alle oscillazioni delle particelle di un mezzo che viene perturbato. Se le oscillazioni avvengono nella direzione di propagazione avremo un’ onda longitudinale altrimenti sarà trasversale

3 L’onda sarà pertanto caratterizzata dalla sua
velocità di propagazione c che in generale dipenderà dal mezzo in cui si propaga: es: in aria la velocità è relativamente bassa (340 m/s), ma diventa più elevata in un liquido (1500 m/s) o in un metallo (5000 m/s); e dall’intensità I, che è legata all’energia trasportata dall’ onda.

4 Approfondimento: in realtà c è legata in modo rigoroso alle proprietà elastiche del mezzo dalla relazione: C = (E/r) ½ = 1/k r dove k è il modulo di elasticità o compressibilità ed E il suo inverso, noto per i solidi come modulo di Young. Un altro concetto legato al mezzo è quello di IMPEDENZA ACUSTICA. Data un’ onda che si propaga, si avrà in ogni punto del mezzo un Valore di pressione P(x,t). Per effetto di tale pressione le particelle Del mezzo oscilleranno con una velocità locale v(x,t).

5 Nel caso di un’ onda piana le due quantità sono in fase tra loro,
e la relazione è data da: P (x,t) / v(x,t) = r c Per analogia con il caso elettrico , in cui V/i = Z, anche a questo rapporto si dà il nome di IMPEDENZA ACUSTICA (si esprime in Rayleigh o kg m –2 s –1). Dunque nel caso dell’ onda piana che si propaga in un tessuto omogeneo assumeremo: Z = r c

6 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

7 Trattandosi poi di un fenomeno periodico, potremo definire:
periodo T (tempo che intercorre tra il passaggio di due fronti d’onda attraverso uno stesso punto); frequenza f ( numero di fronti d’onda che attraversano un dato punto in un s); lunghezza d’onda l ( distanza tra due fronti d’onda): tra queste grandezze si possono scrivere due relazioni fondamentali: l = v T ovvero l = v/f

8 Nella maggior parte dei casi i fronti
d’onda si possono considerare paralleli e molto estesi: si parla di ONDA PIANA oppure, in vicinanza della sorgente della perturbazione, i fronti d’onda sono delle sfere concentriche: si parla di ONDA SFERICA

9 In un mezzo omogeneo l’onda si propaga senza modificare i suoi parametri, ma in generale, a causa delle perdite viscose, diminuisce progressivamente di intensità: si parla di ATTENUAZIONE dell’ onda I(x) I(x) = I(0) e -kx x

10 le onde di bassa frequenza penetrano più in profondità!
In generale l’attenuazione è un fenomeno multifattoriale, che dipende sia dal mezzo sia dalla frequenza: k ~ f2 le onde di bassa frequenza penetrano più in profondità!

11 COEFF DI ATTENUAZIONE (dB/cm) ACQUA 0.0022 SANGUE 0.18 GRASSO 0.63
FEGATO 0.94 RENE 1.00 OSSO 20.00 (US di 1 MHz)

12 In un mezzo non omogeneo, oltre all’attenuazione, si verificano altri fenomeni:
-le superfici di discontinuità (interfacce) generano la RIFLESSIONE dell’onda nello stesso semipiano , -le piccole zone di discontinuità (di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda) riflettono in tutte le direzioni,generando il fenomeno della diffusione o SCATTERING -nelle regioni con diverse caratteristiche fisiche cambia la velocità di propagazione, e l’onda viene RIFRATTA, modificando la l e la direzione di propagazione

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14 Nel caso della diffusione o scattering, che si manifesta ogni
Qual volta il fascio incontra una superficie rugosa o irregolare, Oppure con interfacce multiple e di diversa orientazione, oltrechè In presenza di particelle inferiori a circa 500 microns L’energia del fascio di ritorno (R) è molto limitata, ed è pari a: R/I = d4 / l 4 Si vede immediatamente che il segnale sarà molto elevato a Basse lunghezze d’onda, dove è però massima l’attenuazione.

15 In un particolare intervallo di
frequenze ( Hz) le onde elastiche sono dette SUONI. Esse possono venire generate dalle corde vocali e percepite dall’ orecchio umano.

16 In questo caso: - la riflessione origina il fenomeno dell’Eco acustico; - la rifrazione (es propagazione della voce dall’aria all’acqua) modifica l’onda e rende inintelligibili i suoni - le lunghezze d’onda variano nell’intervallo: 17 m - 17 mm che corrispondono anche alle dimensioni degli oggetti che possono venire ‘sondati’ tramite onde sonore (es SONAR).

17 RIFLESSIONE E TRASMISSIONE NELL ‘IMMAGINE ECO
Ovviamente il segnale ecografico raccoglie gli echi di ritorno dai tessuti, che sono dovuti a: -RIFLESSIONE da macrointerfacce -DIFFUSIONE E/O DIFFRAZIONE da microinterfacce Gli echi di riflessione hanno intensità molto maggiori , special- mente quando l’incidenza del fascio è perpendicolare. In origine una tecnica ecografica (detta bistabile) visualizzava i soli echi di riflessione. Successivamente, la possibilità di comprimere il segnale ha permesso l’elaborazione anche degli echi da diffusione.

18 Approfondimento: Un fascio ultrasonoro che attraversa l’interfaccia tra due tessuti verrà parzialmente riflesso e parzialmente trasmesso. Il coefficiente di Trasmissione T, che rappresenta il rapporto tra intensità trasmessa It e intensità inviata Ii, dipende dalle caratteristiche dei due tessuti, ed in particolare dalle loro impedenze Z1 e Z2, nonché dall’ angolo di incidenza ai e di trasmissione at: T = It /Ii = 4 Z1 Z2 cosai cosat / (Z1cos ai + Z2cos at) 2 Dove gli angoli sono legati tra loro dalla legge di Snell: sin ai / sin at = c1 / c2 Ovviamente il coefficiente di riflessione sarà dato da R = 1 - T

19 Diamo i numeri…. Un’ onda acustica si propaga nell’ acqua ( c= 1500 m/s) e incontra Un placca di plexiglass ( c= 5000 m/s) con un angolo di 80 °. Quale sarà la traiettoria del raggio, e per quale angolo di inclinazione Non si avrà più trasmissione? Applicando la legge di Snell si ottiene che sin at = 0.58, dunque L’angolo di trasmissione vale circa 35 °. La riflessione totale si ottiene per at = 90 °, dunque per una inclina- zione di 72.5 °.

20 Immaginiamo di considerare un fascio che incida in direzione
Normale, per cui il coefficiente di trasmissione si riduce a: T = 4 Z1 Z2 / (Z1 + Z2)2 Ci sono tre casi estremi interessanti: La differenza di impedenza tra i due mezzi è minima. In questo caso È praticamente T=1 e non si osserva riflessione. 2) La differenza è molto grande, ad es Z1 >>Z2. In questo caso T è Circa nullo, e si ha prevalentemente riflessione . 3) Una delle due impedenze è circa nulla ( es aria). Anche in questo T è prossima a 0. Si noti che l’ ‘iperecogenicità’ che corrisponde agli ultimi due casi si basa su meccanismi differenti!

21 Approfondimento: La riflessione dipende, oltrechè dalle impedenze e dagli angoli di incidenza, anche da quanto l’interfaccia è ‘liscia’ e dalle sue dimensioni. Interfacce molto liscie sono iperecogene (es proiettili, corpi metallici, ..). Lo stesso si dica per i contorni delle lesioni, che sono di solito più lisci nelle lesioni benigne. Quanto alle dimensioni, è importante considerare che si ha riflessione vera e propria soltanto se l’interfaccia è volte più estesa della l (altrimenti avremo diffusione). Questo spiega perché per vedere bene strutture piccole (es tendini, cisti, ecc) conviene aumentare la frequenza dell’ ultrasuono! In tal modo l’immagine è più netta e si riduce l’effetto di disturbo dell’ ecostruttura tissutale.

22 Per sondare oggetti di dimensioni più piccole occorre usare
frequenze più elevate! Si definiscono ULTRASUONI le onde meccaniche di frequenza superiore ai 20 kHz. Le onde del mezzo possono essere poste in oscillazione così rapidamente soltanto se sollecitate in modo opportuno . Si usano a questo scopo dei CRISTALLI PIEZOELETTRICI (quarzo,..): PIEZOELETTRICO----> genera oscillazioni meccaniche se sollecitato da un campo elettrico che oscilla con uguale f e viceversa!

23 Questa risposta si basa sul fatto che i cristalli sono formati da ioni
+ e – e, in assenza di vincoli, i loro centri di gravità coincidono e l’interno del cristallo è elettricamente neutro. Quando avviene una deformazione, i centri di gravità non coincidono più e si forma un dipolo elettrico. La risultante vettoriale di questi dipoli crea una polarizzazione elettrica, detta piezo-elettrica, che origina una ddp tra le due facce del cristallo. E’ possibile indurre una piezo-elettricità artificiale in ceramiche ferro-elettriche (titanato di bario, titanato o zirconato di piombo,..) portandole a temperatura elevata e raffreddandole lentamente. Tre fattori sono importanti : il ‘valore piezo-elettrico’. i.e. la capacità di conversione meccano- elettrica; il diametro, lo spessore e.

24 La frequenza di risonanza a cui oscilla il cristallo è data da:
f = c / 2 e dove c è la velocità del suono nel cristallo stesso. Es: per una lama di quarzo di spessore e=0.1 cm e per c=5500 m/s si ottiene: f = 2.75 MHz

25 funziona da EMETTITORE.
Con ddp di 1-10 MHz emette brevi impulsi (1-5 ms) al s: funziona da EMETTITORE. Se investito da oscillazioni di frequenza 1-10 MHz genera nel circuito una ddp corrispondente: funziona da RICEVITORE. NB il quarzo è accoppiato agli elettrodi e ad un blocco ammortizzatore che assorbe le onde retrograde: ‘pastiglia’.

26 Appoggiando la ‘pastiglia’ ( quarzo+ elettrodi) al tessuto
si generano US. Per dimensioni della pastiglia D >> l nel mezzo le onde si propagano come un fascio di forma cilindrica e diametro D nel tratto prossimale (near-field) che progressivamente diverge (far-field). Zona di Fresnel: L=D2/4 l Zona di Fraunhofer: Sin f = 1.22 l /D In questa zona il fascio non è omogeneo: avvengono fenomeni rapidi di interferenza acustica In questa zona il fascio è più omogeneo, ma la diver- genza riduce la risoluzione laterale

27 Con opportune lenti acustiche è possibile focalizzare il
Si noti che più f è elevata ( l ridotta) più si alllunga la zona di Fresnel e si riduce la divergenza del fascio. E’ comunque necessario, per ottenere una risoluzione accettabile, ridurre l’allargamento del fascio: FOCALIZZAZIONE. Con opportune lenti acustiche è possibile focalizzare il fascio alla distanza voluta.

28 Esattamente come avviene in ottica, la convergenza dei fasci si
Può ottenere con una lente curva, che introduca dei ritardi variabili l= lunghezza focale D d F= distanza focale Il diametro della zona focale determina la risoluzione laterale, la lunghezza determina la profondità di campo. La scelta della lente (curvatura) determina la distanza focale F secondo la relazione: D / d = 2F / l, mentre d e l sono legate dalla relazione: l / d 2 = f /1.8 per cui è sempre necessario fare un compromesso tra i due!

29 Esempi: Una sonda di f= 3.5 MHz avrà circa l/d2 = 2. Se si sceglie una risoluzione laterale d= 5 mm, sarà l= 50 mm. La sua distanza focale dipenderà dal diametro D: se, ad es, D= 5 mm, allora F = l D / 2 d = 25 mm. Se si raddoppia f , l/d2 = 3.8, dunque l e F saranno circa doppi. Nelle sonde moderne la focalizzazione è elettronica: i ritardi vengono creati eccitando con ordine e tempistiche diverse i cristalli

30 IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO:
Consideriamo un fascio ultrasonoro che incide su di una Interfaccia:

31 Ogni interfaccia produce un’eco per riflessione.
Il tempo di ricezione permette di localizzare l’interfaccia, ossia di stimare la sua distanza dalla sonda. DAL TEMPO DI ARRIVO DELL’ECO SI RISALE ALLA DISTANZA DELLA STRUTTURA RIFLETTENTE.

32 Es: Se l’ultrasuono si propaga a 1530 m/s , questo corrisponderà a tempi di 1/1530 s/ cm = 6.5 ms/cm. Una superficie posta alla profondità di 1 cm genera un’eco che viene ricevuto 13 ms dopo l’emissione. L’eco che viene ricevuto può essere codificato tramite la sua Ampiezza (MODE A) o posizionando alla distanza da cui si è ricevuta l’ eco un punto di ‘brillanza’ proporzionale all’ ampiezza (MODE B).

33 Per indagare la forma e la distanza di un’ intera superficie è
necessario disporre di tanti fasci paralleli (beam forming). Poiché un’immagine viene percepita dai nostri occhi come continua se è costituita da circa 400 linee, occorrerà misurare e/o interpolare un corrispondente numero di echi. Ovviamente esistono delle limitazioni tecniche: la prima è che due linee successive non devono interferire: deve arrivare l’eco della prima linea e poi partire la seconda linea. Poiché i tempi dipendono dalla profondità, assumendo che 13 ms bastino per 1 cm, avremo che il ritardo è pari a 13*P ms; Se è N il numero di linee, il tempo di costruzione dell’ ecogramma sarà 13*P*N ms. Sia ora C la cadenza (numero di immagini costruite al sec): avremo C=1/ 13*P*N 10 –6 ovvero: P*N*C = = cost

34 A fissato C avremo dunque dei rami di iperbole che legano la
penetrazione e il numero di linee: P(cm) 15/sec 30 100/sec 250 N Per generare le linee si usano sistemi meccanici basati sulla rota- zione della sonda, su specchi, ecc ovvero sistemi elettronici che attivano in successione i cristalli delle sonde lineari e settoriali (curve o phased array).Enormi memorie di massa conservano l’informazione dei ritardi degli echi.

35 L’indagine di una regione estesa può essere eseguita
tramite una matrice di cristalli organizzati in un unico trasduttore. La scansione della regione viene realizzata: 1) sincronizzando tra loro l’emissione e la ricezione dei cristalli, in modo che l’eccitazione tramite una sequenza preordinata realizzi la voluta focalizzazione del fascio nelle regioni indagate, 2) ‘congelando’ le parti di immagine via via prodotte dai cristalli già eccitati, rinfrescando l’intera immagine solo al termine della scansione completa. Ciò naturalmente richiede notevole memoria video.

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37 Artefatti: Naturalmente occorre conoscere la velocità
di propagazione dell’US nei tessuti. Essa normalmente viene supposta uniforme, ma NON E’ VERO: -nei tessuti molli varia da 1200 a 1800 m/s, -nei tessuti più duri (es osso) può raggiungere i 4000 m/s Ne deriva che, assumendo una velocità media costante, laddove c’è discrepanza con il valore vero si avrà una DISTORSIONE SPAZIO-VARIANTE dell’immagine.

38 L’intensità dell’eco naturalmente si riduce al crescere della distanza a causa dell’attenuazione

39 Per consentire la ricezione di echi
provenienti da interfacce profonde si amplifica l’intensità in modo proporzionale alla distanza, modificando il guadagno in senso inverso alla curva di attenuazione.

40 Ci sono due importanti conseguenze:
1) L’intensità dell’eco non è più proporzionale alla distanza della struttura, ma alla differenza di impedenza acustica, cioè all’energia effettivamente riflessa da quella struttura: PERMETTE IL RICONOSCIMENTO DEI TESSUTI. 2) anche in questo caso è impossibile tenere conto della diversa attenuazione dei tessuti, e si utilizza una attenuazione media. Se l’attenuazione effettiva è minore di quella stimata possono aversi ARTEFATTI: es la parete più lontana della vescica appare più luminosa di quella più vicina, in quanto l’acqua attenua poco rispetto ai tessuti circostanti.

41 Rappresentando gli echi tramite punti luminosi, la cui
intensità è proporzionale agli echi stessi: maggiore l’intensità dell’eco maggiore l’intensità luminosa è possibile sia la localizzazione delle interfacce (tramite i ritardi) sia la loro caratterizzazione in termini di impedenza acustica (tramite le ampiezze dei segnali riflessi) e pertanto l’individuazione di strutture iper- ed ipo-ecogene.

42 REGOLAZIONE DEL TGC Con la regolazione del TGC è possibile modulare la rappresentazione ecografica delle strutture che si trovano ad una determinata profondità. Oltre al settaggio della macchina è permessa una regolazione dell’ operatore, che però può portare alla cancellazione di echi significativi o, al contrario, alla comparsa di artefatti e riverberi.

43 Rivelazione di una massa
anomala tramite A-mode Studio dell’ecogenicità del fegato tramite B-mode.

44 Naturalmente ogni strumento possiede un suo RANGE
DINAMICO, che associa il numero di livelli di grigio alle intensità dei segnali (risoluzione in scala di grigi): Ovviamente una scala di 256 toni di grigio produce un’immagine più raffinata rispetto a soli 8 livelli. Si tenga però conto che la nostra retina apprezza non più di livelli, e inoltre la perce- zione del contrasto dipende dalla luminosità.

45 In generale risultano molto intense le superfici riflettenti, e
sono apprezzabili i volumi liquidi che, in quanto anecogeni, sono rappresentati in nero. L’immagine presenta poi una sua texture, nota come SPECKLE o granulazione, la cui origine fisica è legata allo scattering o diffusione prodotta dagli scatteratori distribuiti in modo random nei tessuti e all’interferenza spaziale delle onde così prodotte. L’unico modo per ridurre lo speckle è quello di aumentare la ‘statistica’, ossia di mediare su più immagini prese a tempi immediatamente successivi.

46 SCALA DELLE INTENSITA’. REGOLAZIONE CONTRASTO
E SOGLIE Come già accennato, la presenza di echi di riflessione e di diffu- sione fa sì che la dinamica dei segnali di ritorno sia molto elevata ( da 60 a 100 dB), di gran lunga superiore alla capacità di rappresentazione della scala di grigi di qualunque monitor (circa 20 dB). E’ quindi necessaria una COMPRESSIONE del segnale, che viene effettuata dopo aver selezionato le soglie di minima e massima intensità. Normalmente le compressione è di tipo logaritmico.

47 Risoluzione dell’indagine ecografica= minima distanza tra due strutture in grado si produrre echi distinguibili. Si distingue una risoluzione laterale (le due strutture sono poste in un piano parallelo all’asse del fascio) ed una assiale (le due strutture sono poste lungo il fascio). La risoluzione laterale dipende dalle dimensioni e dalla forma del fascio, e migliora nella zona focale. Viene migliorata ottimizzando il ‘beam-forming’e l’omogeneità dei fasci.

48 l= lunghezza focale D d F= distanza focale Il diametro della zona focale determina la risoluzione laterale. Da D / d = 2F / l, e l / d 2 = f /1.8 Si ottiene d = 3.6 F/ D f

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50 La risoluzione assiale dipende dalla durata del pacchetto
di US emesso (in particolare della durata della ‘salita’) e in ogni caso non può essere minore della l: occorre dunque lavorare con onde di alta frequenza, che verranno però maggiormente assorbite. Vale la formula: Rassiale = n l /2 dove n è il numero di oscillazioni del fronte di salita. Es: f= 3 MHz, n=3, c= 1500 m/s fornisce: Rassiale = 0.75 mm. Si può migliorare aumentando la frequenza e l’’ammortizza- zione’ della ceramica piezoelettrica.

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55 Da www.image-medicale.com
                          30° giorno 50° giorno

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57                 12° settimana

58                16° settimana

59             22° settimana

60 QUESITI: 1) Dovendo indagare un organo profondo, è meglio scegliere una sonda da: A) 1.5 MHz B) 8 MHz ?

61 QUESITI: 2) L’informazione utilizzata in ecografia è contenuta nella: a) ampiezza del segnale riflesso b) frequenza del segnale riflesso ?