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TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE
SULPIZIO SARA
Gli ultrasuoni
nella diagnostica medica
TESINA di Sulpizio Sara
(M164736)
CLS BIOTECNOLOGIE MEDICHE
Corso di FISICA IMAGING MOLECOLARE (Prof. Alecci)
TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE
SULPIZIO SARA
Introduzione
L’uso degli ultrasuoni in medicina a scopo diagnostico
risale al 1949 con la prima scansione ad opera
dell’austriaco Karl Dussik.
Stime del 2003 rivelano che il 25% delle immagini per
uso diagnostico sono realizzate mediante ecografia.
L’ecografia è divenuta negli anni parte indispensabile
dell’iter diagnostico delle patologie dei tessuti molli.
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Principi Fisici di Base
Gli ultrasuoni sono onde elastiche e sonore con frequenza > 16-20 kHz
che propagandosi in un mezzo producono delle bande di compressione e
rarefazione.
La tecnica US è resa possibile dalla limitata velocità di propagazione
delle onde acustiche nei tessuti molli, che consente di misurare i tempi
di propagazione.
La velocità di propagazione degli US è data da:
v  f
Nei tessuti biologici è circa
1540 m/s eccetto l’osso la
cui ν = 4000 m/s
Z   v
L’impedenza acustica è la
proprietà che ci permette
di distinguere i diversi
tessuti.
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Principi Fisici di Base
Propagazione US all’interfaccia
i
r
•
•
•
•
Onda
Onda
Onda
Onda
Incidente
Diffusa o Scattering
Trasmessa o Rifratta
Riflessa
a t
 Z1 cos  t  Z 2 cos  i 

R  1  T  
 Z1 cos  t  Z 2 cos  i 
2
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Principi Fisici di Base
Attenuazione
• L’intensità di un fascio ultrasonoro decresce progressivamente nel
progredire dello stesso all’interno dei tessuti.
• Nella progressione degli US nel mezzo l’energia assorbita dai tessuti
attraversati viene convertita in calore.
If
A(dB)  10  log10 
 Ii
tessuto



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Descrizione dell’Apparato
• Sonda
Le onde ultrasonore sono generate
sfruttando il fenomeno m
di
piezoelettricità, caratteristico di
materiali a struttura cristallina es:
 Quarzo;
 Ceramiche policristalline (PZT,
titanato di piombo, zirconio);
 Polimeri (PVDF).
Trasmette impulsi e riceve echi.
+
+
+
+
+
+
+
+
-
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Descrizione dell’Apparato
• Sistema elettronico
• Scan converter
• Sistema di visualizzazione
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Sistemi a scansione
A Mode
B Mode
M mode
Doppler
{
CW Doppler
PW Doppler
Eco-color Doppler
Power Doppler
Harmonic Imaging
3D
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A Mode o rappresentazione
distanziometrica
Si fonda sulla conoscenza a priori dell’anatomia delle strutture che
giacciono sul percorso degli US e serve a:
• Determinare la distanza tra sonda e superficie dell’eco
• Distinguere i tessuti
Intensità
dell’eco
tempo
rumore
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B Mode: sistema a
posizionamento temporale
Immagine costituita da un insieme di linee e punti luminosi, definita
rappresentazione B-dimensionale o B-mode. Il risultato finale è la
visualizzazione, in “scala dei grigi”, di una sezione dell’organo in esame.
cisti epatica semplice
lesione iperecogena
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M mode
Il formato M-mode non è altro che un B-mode ripetuto
ad intervalli di tempo sufficientemente brevi per
riprodurre il movimento dell’interfaccia
Ivus Aorta
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Doppler: definizione
L'effetto Doppler è usato in medicina per la rilevazione della velocità
del flusso sanguigno.
Un trasmettitore orientato opportunamente genera US che vengono poi
riflessi con una nuova frequenza, a seconda della velocità vettoriale
delle particelle sanguigne, rilevata e rielaborata matematicamente si
ottiene la misura di velocità del flusso sanguigno.
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Doppler: approccio matematico
• Se il corpo riflettente è in movimento con velocità ν la cui direzione
forma un angolo θ rispetto alla direzione di propagazione dell’onda, la
frequenza riflessa dalla particella ( ƒr) sarà diversa da quella emessa
(ƒe).
• Nell’ipotesi che la velocità v della particella sia molto inferiore
rispetto alla celerità C di propagazione dell’onda, si dimostra che è
valida la seguente relazione:
2v cos 
fd  fr  fe  
fe
c
• dove ƒd prende il nome di Doppler Shift (Frequenza Doppler), è
misurabile ed è proporzionale alla velocità.
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Doppler CW ad onda continua
Trasmettitore e ricevitore sono due trasduttori fisicamente separati ed
entrambi lavorano con continuità.
–
Se l’oggetto riflettente è fermo la ƒr = ƒe;
–
se l’oggetto è in movimento verso il trasduttore la ƒr > ƒe;
–
se l ’oggetto è in allontanamento dal trasduttore la ƒr < ƒe
–
Distingue le velocità delle
particelle;
–
Non si distingue la localizzazione
delle particelle nello spazio.
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Doppler PW ad onda pulsata
Unico trasduttore che emette un burst ultrasonoro di breve
durata e si pone in attesa dell’eco. Dopo un certo intervallo di
tempo il trasduttore emette un nuovo burst, e così via.
Il segnale di ritorno contiene tre
informazioni:
˜
Localizzazione dell’oggetto
riflettente
˜
Natura dell’oggetto
riflettente
˜
Velocità dell’oggetto
riflettente
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Eco-Color Doppler
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All’immagine M-Mode è sovrapposta una mappatura in scala cromatica
Soddisfa
la necessità
di avere
delle
velocità
medie presenti
in contemporaneamente
ciascun frame, in cui ilinformazioni
colore
fra spettro di
e del
volumi
campione.
rappresenta
la velocità
direzione
flusso
e la velocità.
Utilizzata per:
•
Identificazione delle placche
ipo/anecogene
•
Stenosi
•
Identificazione
dell'irregolarità di decorso
•
Occlusioni trombotiche
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Power Doppler
Il segnale è determinato dalla
densità delle cellule ematiche in
movimento.
Alta sensibilità e definizione
della distribuzione della
vascolarizzazione .
Non dipende dalla velocità del
flusso
Power doppler di carotide interna
Poco attendibile sulla direzione
del flusso
Non dipende dall'angolo di
incidenza
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Harmonic Imaging
Dopo aver inviato il segnale ad una data frequenza (ƒ0 ),
settando lo strumento in ricezione in una banda centrata
su una frequenza doppia (2ƒ0 ), ed eliminando le armoniche
spurie, si ottimizza il risultato diagnostico diminuendo gli
artefatti in pazienti ecograficamente difficili es. Obesi.
Aumenta la risoluzione spaziale in profondità
Si utilizzano mezzi di contrasto
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Mezzi di contrasto (MdC)
I mezzi di contrasto sono sostanze che aumentano le
informazioni contenute in una immagine prodotta
da strumenti di diagnostica medica.
Alterano il contrasto di un organo, di una lesione o di
qualsiasi altra struttura rispetto a ciò che la
circonda, in modo da rendere visibili dettagli che
altrimenti risulterebbero non apprezzabili.
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Mezzi di contrasto (MdC)
I mezzi di contrasto ultrasonografici sono soluzioni contenenti micro-
bolle di aria o gas capaci di riflettere con efficienza i fasci di
ultrasuoni utilizzati durante l'esame ecotomografico.
1.
Prima generazione sono microsfere nude, estremamente instabili;
2.
Seconda generazione incapsulate con shell di albumina o di
galattosio;
3.
Terza generazione ottenute aumentando la rigidità della shell
oppure utilizzando gas di scarsissima diffusività nei liquidi;
aumentando l’emivita.
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3D
Maggiore risoluzione spaziale
Ridotta dipendenza operatore
Matching
Nuova tecnologia ancora in evoluzione.
Acquisizione di una serie di singole slide
di volume e orientamento diversi con
sistemi a motore o a mano libera.
Ricostruzione volumetrica e multiplanare
unendo informazioni di tutte le slides
Visualizzazione dell’oggetto in 3D
Applicazioni nella diagnostica
medica
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L’ecografia è parte irrinunciabile dell’iter diagnostico delle
patologie dei tessuti molli.
La diagnostica ultrasonica viene applicata :
•
allo studio del cuore e dei vari segmenti dell’albero vascolare,
• dei parenchimi e organi addominali;
• nell’esame di patologie del torace,
• dell’apparato locomotore,
• dell’occhio,
• delle ghiandole…
Applicazioni nella diagnostica
medica
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L’ecografia è ormai diventato un esame di routine fondamentale
in diversi campi: internistico, chirurgico, ginecologico,
endocrinologico, urologico, ostetrico, ortopedico...
L’ecografia viene utilizzata come guida per manovre di tipo
interventistico: biopsie, drenaggi di ascessi, posizionamento di
cateteri, inseminazione artificiale...
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Ecocardiografia
Metodica ultrasonora che studia il movimento del sangue dentro il
cuore ed i vasi, permette di avere informazioni
 di tipo emodinamico e funzionale;
 una malattia cardiaca in tutti i suoi aspetti, anatomici ed
emodinamici;
 sulla sua contrattilità, sulla morfologia delle valvole cardiache;
 nello sport malattie cardiache sconosciute ed asintomatiche.
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Ecocardiografia
L'esecuzione dell'ecocardiografia transesofagea, cioè per via
endoscopica, permette di svelare alcune forme patologiche, come
 vizi valvolari complessi,
 malformazioni congenite,
 di patologie a carico dall'aorta toracica,
 di fonti emboligene di origine cardiaca.
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Elastografia
L’elastografia è una metodica che consente di fornire informazioni,
soprattutto sui noduli della mammella o fegato: esercitando una certa
pressione sulla cute per misurare la comprimibilità dei noduli.
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Ecografia Articolare
• L'ecografia è molto utile per rilevare la presenza di corpi
estranei radiotrasparenti. Un corpo estraneo fatto di legno,
acciaio, pietra, vetro, ghiaia e plastica genera normalmente
un'ombra acustica e/o un fenomeno di riverberazione.
• L’uso dell’ecografia ha aumentato la conoscenza sulle
affezioni articolari e la capacità di identificare delle lesioni
non rilevabili prima.
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L'ecografia in ostetricia
Con l'ecografia è possibile osservare in modo
dettagliato il feto:
 la colonna vertebrale,
 la vescica,
 i reni,
 lo stomaco,
 le strutture intracraniche,
 il cuore del feto,
 morfologia,
 movimenti,
 nei comportamenti per determinare l'epoca
della gravidanza,
 la posizione del feto
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L'ecografia in ginecologia
In campo ginecologico l'esame ecografico rappresenta
un valido complemento all'esame clinico.
L'ecografia pelvica consente uno studio accurato degli
organi pelvici e ci permette di:
• identificare con precisione un organo;
• visualizzare e localizzare una massa;
• determinare la grandezza della massa;
• differenziare la massa;
• relazione con gli organi contigui;
• indici di malignità.
cisti endometriosica
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Ecografia Del Collo
Permette lo studio:
• della ghiandola tiroidea,
• delle ghiandole salivari,
• delle stazioni linfonodali,
• delle paratiroidi.
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Ecografia di Fegato e Vie
Biliari
Lo studio ecografico del fegato permette
di differenziare un fegato sano da uno
affetto:
• da malattie croniche,
• tumori benigni o maligni,
• cisti,
• ascessi epatici…
L'utilizzo della colecistografia per la
diagnosi dei calcoli della cistifellea.
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Ecografia Pancreas e Milza
L'ecografia è utile nello studio di
pancreatiti
L'ecografia della milza serve a
diagnosticare:
• ascessi,
• infezioni,
• cisti,
• tumori,
• trauma addominale.
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Ecografia reni
• Cisti renali
• tumori renali
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Ecografia oculare
L'ecografia oculare è di massima utilità quando vi sono opacità dei
mezzi: cataratta avanzata, emorragia interna.
In casi selezionati, può costituire una valida alternativa alla TAC
ed alla NMR.
Possono essere eseguite ecografie con tecnica a contatto e ad
immersione, per misurazioni biometriche.
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Ecografia oculare
L'ecografia orbitaria permette di studiare
• la ghiandola lacrimale,
•
i muscoli oculomotori,
•
il nervo ottico …
Perfino in presenza di mezzi trasparenti, per la diagnosi
differenziale e la valutazione delle dimensioni dei tumori
intraoculari.
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Conclusioni: vantaggi dell’ecografia
1.
E' una indagine indolore;
2.
Pressoché assente invasività;
3.
Facilità di esecuzione;
4.
Multiplanarietà;
9.
US sono i più sicuri fra i metodi
che usano radiazioni ionizzanti;
10.
Forniscono informazioni
complementari ad altre tecniche
diagnostiche
11.
Diagnostica patologie dei tessuti
5.
Brevità;
6.
Ripetibilità dell’indagine;
7.
Basso costo;
sezioni trasversali del corpo;
8.
Poco disagio per il paziente, 13.
buona compliance;
Ottima risoluzione temporale.
molli;
12.
Permette la produzione di
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Conclusioni : svantaggi dell’ecografia
1.
Nessuna rappresentazione dell’osso;
2.
È una metodica fortemente operatore-dipendente;
3.
Pazienti sottoposti per molto tempo a terapia con US possono
manifestare alterazioni a carico SN, gonadi , occhi, muscoli,
demineralizzazione osso in modo transitorio.
4.
Vi è evidenza di effetti dannosi a intensità superiore a 100
mW/cm2;
5.
Sono più dannosi US a fasci continui es CW doppler;
6.
È buona norma evitare esposizioni non necessarie e minimizzare
i tempi di scansione.
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Bibliografia essenziale
•
Dewey , Ultrasuoni nella diagnostica medica , Le Scienze , n. 119, pg.56 (1978)
•
P.N.T Wells, “ultrasound imaging “ Phys. Med. Biol. 51 (2006) R83–R98
•
•
G. Valli, G. Coppini, “Bioimmagini”. Patron Editore, Bologna, 2002;
S Dandekar, Y Li, J Molloy and J Hossack “A phantom with reduced complexity for spatial 3D
ultrasound calibration” Ultrasound Med. Biol., 31 1083–93, 2005
•
NCRP report n°74 “biological effect of us: mechabism and clinical implication”
•
Borsa, Gulmanelli, Scannicchio “ fisica biomedica”, Pavese, 1983
•
A.B. Wolbarst, “Physics of Radiology”, Prentice Hall, 1993;
•
C. Nicolini, A. Rigo, “Biofisica e Tecnologie Biomediche”, Zanichelli, 1994;
•
http://www.oftalmobari.com/ecografia.htm
•
http://www.villabetania.org/Ecografia.htm
•
http://www.arienti-v.com/formazione/medinterna/Ecografia_torace.pdf
•
http://www.aifmcaldirola.net/2004_Ultrasuoni/
•
http://www.eng.cam.ac.uk
•
http://www.unit.no