Applicazione degli ultrasuoni in medicina | CDhistory

1. INTRODUZIONE

In fisica il termine “ultrasuoni” si applica a tutta l’energia acustica con una frequenza superiore all’udito umano (20.000 hertz o 20 kilohertz). I tipici scanner ecografici diagnostici operano nella gamma di frequenza da 2 a 18 megahertz, centinaia di volte superiore al limite dell’udito umano. Frequenze più alte hanno una lunghezza d’onda corrispondentemente più piccola, e possono essere utilizzate per fare sonogrammi con dettagli più piccoli. La sonografia diagnostica (ultrasonografia) è una tecnica di imaging diagnostico basata sugli ultrasuoni usata per visualizzare le strutture sottocutanee del corpo, compresi tendini, muscoli, articolazioni, vasi e organi interni per possibili patologie o lesioni. La sonografia è efficace per l’imaging dei tessuti molli del corpo. Gli ecografisti usano tipicamente una sonda portatile (chiamata trasduttore) che viene posizionata direttamente sul paziente e spostata sopra di esso. Un gel a base d’acqua è usato per accoppiare gli ultrasuoni tra il trasduttore e il paziente (1, 2).

Anche se scoperto 12 anni prima dei raggi X (1883.), l’ultrasuono è un’applicazione trovata molto più tardi in medicina. La prima applicazione pratica degli ultrasuoni è registrata durante la prima guerra mondiale nel rilevamento di sottomarini. L’applicazione degli ultrasuoni in medicina è iniziata negli anni cinquanta del secolo scorso. Prima è stato introdotto nell’ostetricia, e dopo in tutti i campi della medicina (la diagnostica addominale generale, la diagnostica nel campo della pelvi, cardiologia, oftalmologia e ortopedia e così via) (3). Dal punto di vista clinico l’ecografia possiede un’importanza inestimabile per le sue caratteristiche non invasive, di buona visualizzazione e di gestione relativamente facile (4,5). Dall’introduzione dell’elaborazione dei segnali di scala di grigi nel 1974 il modo B dell’ecografia è diventato il metodo ampiamente accettato. Il progresso nella formazione dei trasduttori ha portato a una migliore risoluzione spaziale e all’imaging di strutture molto piccole nell’addome (0,5-1 cm). Lo sviluppo del sistema in tempo reale ha portato, addirittura, alla possibilità della visualizzazione continua o della fluoroscopia ad ultrasuoni (1). Nella diagnostica ad ultrasuoni possono essere differenziate due tecniche (2): trasmissione e riflessione

La tecnologia di trasmissione si basa sulla distinzione dei tessuti con diversa assorbenza degli ultrasuoni. A causa dell’assorbimento irregolare delle immagini ad ultrasuoni fornisce la struttura interna che consiste in un mosaico di luoghi più chiari e più scuri. Questa tecnologia è ora abbandonata (6,1).

Tecnologia di riflessione (eco) registra l’impulso viene riflesso dal confine di due tessuti con diversa resistenza acustica. La tecnica si basa sul principio del funzionamento del sonar (“Sonar Navigation and Ranging”). Un’onda sonora è tipicamente prodotta da un trasduttore piezoelettrico racchiuso in una sonda. Impulsi elettrici forti e brevi dalla macchina a ultrasuoni fanno suonare il trasduttore alla frequenza desiderata. Le frequenze possono essere ovunque tra i 2 e i 18 MHz. Il suono è focalizzato dalla forma del trasduttore, da una lente davanti al trasduttore o da un complesso insieme di impulsi di controllo dalla macchina a ultrasuoni. Questa focalizzazione produce un’onda sonora a forma di arco dalla faccia del trasduttore. L’onda viaggia nel corpo e si mette a fuoco alla profondità desiderata. I trasduttori di tecnologia più recente utilizzano tecniche di phased array per consentire alla macchina ecografica di cambiare la direzione e la profondità di messa a fuoco. Quasi tutti i trasduttori piezoelettrici sono fatti di ceramica (1).

Per generare un’immagine 2 D, il fascio ultrasonico è spazzato. Un trasduttore può essere spazzato meccanicamente ruotando o oscillando. Oppure si può usare un trasduttore phased array 1D per spazzare il fascio elettronicamente. I dati ricevuti vengono elaborati e utilizzati per costruire l’immagine. L’immagine è quindi una rappresentazione 2D della fetta nel corpo. Le immagini 3D possono essere generate acquisendo una serie di immagini 2D adiacenti. Comunemente si usa una sonda specializzata che scansiona meccanicamente un trasduttore convenzionale di immagini 2D. Tuttavia, poiché la scansione meccanica è lenta, è difficile realizzare immagini 3D di tessuti in movimento. Recentemente, sono stati sviluppati trasduttori 2D phased array che possono spazzare il fascio in 3D. Questi sono in grado di produrre immagini più velocemente e possono anche essere usati per fare immagini 3D dal vivo di un cuore che batte.

Quattro diverse modalità di ultrasuoni sono usate nell’imaging medico (1, 3).

Queste sono:

• A-mode: A-mode è il tipo più semplice di ultrasuoni. Un singolo trasduttore scansiona una linea attraverso il corpo con gli echi tracciati sullo schermo in funzione della profondità. L’ultrasuono terapeutico mirato a un tumore specifico o a un calcolo è anche in modalità A, per consentire una messa a fuoco precisa dell’energia delle onde distruttive.

• Modalità B: Nell’ecografia B-mode, una serie lineare di trasduttori scansiona simultaneamente un piano attraverso il corpo che può essere visualizzato come un’immagine bidimensionale sullo schermo.

• M-mode: M sta per movimento. In m-mode una rapida sequenza di scansioni B-mode le cui immagini si susseguono in sequenza sullo schermo permette ai medici di vedere e misurare la gamma di movimento, come i confini degli organi che producono riflessioni si muovono rispetto alla sonda.

Modalità Doppler: Questa modalità utilizza l’effetto Doppler per misurare e visualizzare il flusso sanguigno. L’ecografia Doppler gioca un ruolo importante in medicina. La sonografia può essere migliorata con misure Doppler, che impiegano l’effetto Doppler per valutare se le strutture (di solito il sangue) si muovono verso o lontano dalla sonda, e la sua velocità relativa. Calcolando lo spostamento di frequenza di un particolare volume di campione, per esempio un getto di sangue che scorre su una valvola cardiaca, la sua velocità e direzione possono essere determinate e visualizzate. Questo è particolarmente utile negli studi cardiovascolari (sonografia del sistema vascolare e del cuore) ed essenziale in molte aree come la determinazione del flusso di sangue inverso nella vascolarizzazione del fegato nell’ipertensione portale (6,7). L’informazione Doppler viene visualizzata graficamente usando il Doppler spettrale, o come immagine usando il Doppler a colori (Doppler direzionale) o il Power Doppler (Doppler non direzionale). Questo spostamento Doppler cade nella gamma udibile e viene spesso presentato in modo udibile utilizzando altoparlanti stereo: questo produce un suono pulsante molto caratteristico, anche se sintetico (8).

La cardiografia eco transoesofagea (TEE) ha aperto la finestra nella diagnostica per immagini nel campo della cardiografia, chirurgia cardiaca e anestesia. Utilizzando TEE in modalità 2-D, l’anestesista può monitorare i movimenti del cuore, e chirurgo cardiaco diventerà le informazioni preziose sulla condizione del cuore dopo la procedura chirurgica critica.