L’ecografia è una metodica clinica destinata a spingersi sempre più avanti man mano che la tecnologia diventa sempre più sofisticata. Nel mondo di oggi e soprattutto in quello di domani, questo meraviglioso strumento aiuterà milioni di sanitari e pazienti a guarire ed essere assistiti nei migliori dei modi. L’ecografia, infatti, può apparire una magia: il solo appoggiare lo strumento sulla cute del paziente ci permette di scrutarne l’interno, con rischi e costi bassissimi. Immaginate quanto possa essere utile per un medico riuscire a dare un’occhiata al vostro cuore, o agli organi all’interno dell’addome senza dovervi aprirvi!
L'ecografia è una tecnica diagnostica che si serve degli ultrasuoni, onde meccaniche elastiche longitudinali caratterizzate da lunghezze d'onda piccole e frequenze elevate. Le onde si propagano con una certa velocità, che dipende dall'elasticità e dalla densità del mezzo che attraversano. Per propagarsi, gli ultrasuoni hanno bisogno di un substrato (il corpo umano per esempio), di cui alterano transitoriamente le forze elastiche di coesione delle particelle.
Si definisce come Impedenza Acustica la resistenza intrinseca della materia ad essere attraversata dagli ultrasuoni. Essa condiziona la loro velocità di propagazione nella materia ed è direttamente proporzionale alla densità del mezzo moltiplicata per la velocità di propagazione degli ultrasuoni nel mezzo stesso (IA= vel x densità). I diversi tessuti del corpo umano hanno tutti una impedenza diversa, ed è questo il principio su cui si basa la tecnica ecografia. Per esempio, aria e acqua hanno bassa impedenza acustica, grasso fegato e muscolo ce l'hanno intermedia e osso ed acciaio ce l'hanno altissima.
Come funziona l'ecografo?
Il fenomeno fisico alla base dell’ecografia, e il suo utilizzo, è del tutto simile a quello usato dai radar e dai pipistrelli! Un’onda sonora è una forza meccanica che induce una compressione e una dilatazione del materiale che attraversa. I tessuti sottoposti a ultrasuoni avranno risposte e interazioni diverse. I tessuti biologici (muscoli, tessuto connettivo, liquidi,ecc..) hanno impedenze leggermente diverse tra loro e, interfacciandosi permettono la produzione di echi utili ad essere rilevati. Aria e ossa hanno impedenze estreme che non producono o impediscono echi. Quando il tessuto incontrato dall’ultrasuono è troppo piccolo o irregolare, gli echi prodotti sono molteplici e “dispersi” in tutte le direzioni.
Un singolo fascio di ultrasuoni attraversa un tessuto, sempre come esempio: il cuore. Nel suo proseguire all’interno del cuore ogni volta che incontra un’interfaccia ( un tessuto, ad esempio una valvola, la parete muscolare, ecc..) si produrrà un eco di ritorno come conseguenza. Quanto è più intenso il segnale di ritorno maggiore sarà l’ampiezza del segnale. Ampiezza che in passato veniva rappresentato in A-Mode (A di amplitude, ampiezza). Se volessimo ridurre l’asse orizzontale in un’unica dimensione come potremmo identificare il valore di ampiezza? Un B-mode traslato sull’asse orizzontale rappresenterà la variazione degli eventi nel tempo. Poi il difficile è sapere cosa si sta vedendo, usare queste informazioni in maniera intelligente e ovviamente diagnosticare malattie.
La parola ecografia significa letteralmente “scrittura degli echi” cioè la trascrizione grafica su uno schermo, attraverso un’immagine bidimensionale, di quella che è l’interazione tra i suoni e le strutture profonde dell’organismo.La storia dell’ecografia inizia nel 1880 quando i fratelli Curie scoprirono l’effetto piezoelettrico del quarzo. Essi notarono che, applicando una sollecitazione meccanica ad una lamina di quarzo, sulla superficie delle lamine stesse si formava una piccola carica elettrica. Questo fenomeno venne chiamato effetto piezoelettrico diretto. Ben presto si accorsero che l’effetto avveniva anche in senso contrario: applicando un impulso elettrico alla stessa lamina di quarzo, questa reagiva attraverso una modificazione di forma e iniziava a vibrare producendo ultrasuoni.
Nell'ecografia gli ultrasuoni vengono generati per effetto piezoelettrico ad alta frequenza. Per effetto piezoelettrico si intende la proprietà, posseduta da alcuni cristalli di quarzo o di alcuni tipi di ceramiche, di vibrare ad alta frequenza se collegati ad una tensione elettrica, quindi se attraversati da una corrente elettrica alternata. Questi cristalli sono contenuti all'interno della sonda ecografia posta a contatto con la cute od i tessuti del soggetto, chiamata trasduttore, che emette così fasci di ultrasuoni che attraversano i corpi da esaminare e che subiscono un'attenuazione che è in rapporto diretto con la frequenza di emissione del trasduttore. Dunque, maggiore è la frequenza degli ultrasuoni, e maggiore è la loro penetrazione nei tessuti, con una maggiore risoluzione delle immagini. I punti di passaggio tra tessuti con impedenza acustica diversa vengono chiamati Interfacce.
Ogni volta che gli ultrasuoni incontrano un'interfaccia, il fascio viene in parte riflesso (torna indietro) ed in parte rifratto (cioè assorbito dai tessuti sottostanti). Il fascio riflesso viene chiamato anche eco; esso, in fase di ritorno, si dirige nuovamente al trasduttore dove eccita il cristallo della sonda generando una corrente elettrica. È possibile perciò, tramite l'analisi delle caratteristiche dell'onda ultrasonora riflessa, ottenere informazioni utili per differenziare strutture con diversa densità. L'energia di riflessione è direttamente proporzionale alla variazione di impedenza acustica tra due superfici. Per significative variazioni, come per esempio il passaggio tra l'aria e la cute, il fascio ultrasonoro può subire una riflessione totale; per questo è necessario l'uso di sostanze gelatinose tra sonda e cute.
Componenti dell'ecografo
Il fenomeno della piezoelettricità è alla base del funzionamento della sonda ecografica che tecnicamente si comporta come un trasduttore. In fisica il trasduttore è un dispositivo che trasforma l’energia in entrata in una forma di energia di differente natura in uscita. La sonda ecografica è un traduttore perché, nella fase di produzione degli ultrasuoni, trasforma l’energia elettrica in energia sonora, mentre nella fase di ricezione degli echi trasforma l’energia sonora in energia elettrica. Oltre alla sonda, l’ecografo è composto da un corpo macchina che contiene l’apparato elettronico e il sistema di alimentazione elettrica.
Una porzione dell’apparato elettronico chiamata impulsatore manda un breve impulso elettrico agli elettrodi collegati ai cristalli piezoelettrici della sonda che, vibrando, producono un impulso ultrasonoro che si propaga nei tessuti. Gli echi, che si generano dalla interazione tra gli ultrasuoni e le strutture profonde dell’organismo, ritornano alla sonda impattando contro i cristalli piezoelettrici i quali, per effetto piezoelettrico diretto, producono delle piccole cariche elettriche di superficie.
L’ecografia si basa sul meccanismo di impulso-eco. La sonda produce un impulso ultrasonoro poi rimane in silenzio, in attesa di ricevere gli echi provenienti dalle strutture a differente profondità. Un orologio elettronico (timer) sincronizza la fase di emissione dell’impulso con la fase di ascolto. Un singolo impulso interagisce con diverse strutture e genera più echi, per cui il tempo di attesa della sonda deve essere decisamente più lungo del tempo utilizzato per la produzione dell’impulso ultrasonoro. In linea di massima, il rapporto tra il tempo di produzione dell’impulso e la fase di ascolto è 1 a 99, questo significa che per la maggior parte del tempo la sonda ecografica è in fase di ascolto, in modo da raccogliere gli echi che si generano dalle strutture più profonde e che impiegano un tempo maggiore per tornare alla sonda.
Quando il fascio ultrasonoro progredisce senza incontrare ostacoli, non interagisce con alcuna struttura e non produce echi. Questo fenomeno viene rappresentato sullo schermo come un’area di colore nero detta immagine di “vuoto acustico”. Quando il fascio ultrasonoro interagisce con porzioni anatomiche in cui vi sia un apprezzabile cambiamento di densità (queste strutture si chiamano interfacce), una parte del fascio di ultrasuoni passa oltre (si trasmette) e interagisce con le strutture più profonde mentre una parte viene riflessa specularmente con una percentuale variabile che dipende dalla natura dell’interfaccia. Da questo tipo di interazione origina l’immagine “di parete” che delimita i confini delle strutture anatomiche.
Quando il fascio ultrasonoro interagisce con strutture di dimensioni molto piccole, come ad esempio gli elementi cellulari, si origina il fenomeno della diffusione o scattering. A differenza della riflessione speculare da cui originano le immagini di parete, con il fenomeno della diffusione, gli echi prodotti si frammentano e si disperdono in tutte le direzioni.
Modalità di rappresentazione delle immagini ecografiche
A-Mode (Amplitude Mode= modulazioni di ampiezza): è attualmente superato dal B-Mode. Con la A-Mode, ogni eco viene presentato come una deflessione della linea di base (che esprime il tempo necessario all'onda riflessa per ritornare al sistema ricevente, cioè la distanza tra l'interfaccia che ha provocato la riflessione e la sonda), come un "picco" la cui ampiezza corrisponde all'intensità del segnale che lo ha generato. È il modo più semplice di rappresentare il segnale ecografico ed è di tipo monodimensionale (cioè offre un'analisi in una sola dimensione). Essa dà informazioni sulla sola natura della struttura in esame (liquido o solido).
TM-Mode (Time Motion Mode): in essa, il dato A-Mode viene arricchito dal dato dinamico. Si ottiene un immagine bidimensionale in cui ogni eco è rappresentato da un punto luminoso. I punti si spostano orizzontalmente in relazione ai movimenti delle strutture. Se le interfacce sono ferme, anche i punti luminosi rimarranno fermi. è simile all'A-Mode, ma con la differenza che viene registrato anche il movimento dell'eco.
B-Mode (Brightness Mode o modulazione di luminosità): si tratta di una classica immagine Ecotomografica (cioè di una sezione del corpo) della rappresentazione su un monitor televisivo degli echi provenienti dalle strutture in esame. L'immagine viene costruita convertendo le onde riflesse in segnali la cui luminosità (tonalità di grigio) è proporzionale all'intensità dell'eco; i rapporti spaziali fra i vari echi "costruiscono" sullo schermo l'immagine della sezione dell'organo in esame. Offre anch'essa immagini bidimensionali. L'introduzione della scala dei grigi (diverse tonalità di grigio per rappresentare echi di diversa ampiezza) ha maggiormente migliorato la qualità dell'immagine ecografia. Così tutte le strutture corporee vengono rappresentate con toni che vanno dal nero al bianco.
L’immagine ecografica è caratterizzata dall’essere bidimensionale e le strutture vengono riportate in scala di grigi. Ogni punto sul monitor viene rappresentato con diverse gradazioni di grigio, tra i due estremi bianco e nero. La tonalità di grigio del punto sul monitor dipende dall’intensità dell’eco che la struttura anatomica ha generato interagendo con il fascio ultrasonoro. Un tipo di grigio tendente al bianco (immagine iperecogena) indica che una grande percentuale del fascio ultrasonoro è stata riflessa mentre una tonalità di grigio tendente al nero (immagine ipoecogena) indica che il fascio ultrasonoro interagisce scarsamente con i tessuti producendo pochi echi.
Ad esempio, le strutture ossee appaiono bianche poiché riflettono una grande percentuale del fascio ultrasonoro mentre il contenuto delle strutture cistiche contenenti del liquido appaiono nere (immagine anecogena) perché non interagiscono con il fascio ultrasonoro e non producono echi. L’immagine ecografica rappresentata sullo schermo è bidimensionale quindi è necessario capire come fa la macchina ecografica a posizionare una determinata struttura ad una maggiore o minore profondità oppure sulla parte destra, centrale o sinistra dello schermo. Riguardo alla profondità, la macchina ecografica posiziona un punto calcolando il tempo che separa l’emissione dell’impulso ultrasonoro dalla ricezione dell’eco. Da ogni impulso possono derivare più echi e il tempo che occorre all’eco di tornare alla sonda è direttamente proporzionale alla profondità in cui si trova la struttura che ha generato quell’eco. Un orologio elettronico calcola questo ritardo permettendo alla macchina di posizionare un punto ad una maggiore o minore profondità. La posizione laterale è assegnata invece rispetto al cristallo della sonda che riceve gli echi.
Tipi di sonde ecografiche
Nella sonda ecografica i cristalli (di solito tormalina, titanato di bario o, più comunemente, titanato-zirconato di piombo) sono protetti da una resina epossidica o di altro materiale isolante. Qui i cristalli, sottoposti a una pressione, generano una differenza di potenziale fra le due estremità. Se alle estremità viene applicata una differenza di potenziale, questa provoca una deformazione del cristallo, ovvero esso aumenta o si restringe a seconda del voltaggio della corrente elettrica che lo percorre.
Come detto, la sonda ecografica funziona sia da emittente del fascio ultrasonoro che da ricevente dell’eco. Le onde inviate vengono infatti ricevute dai tessuti che poi, a loro volta, mandano un segnale alla sonda. Dopo un primo impulso inviato si dovrà aspettare prima di emettere un nuovo impulso, attendendone prima la risposta.
Vi sono diversi tipi di sonde ecografiche quali: sonde meccaniche (che utilizzano motori elettrici e in cui gli elementi attivi vibrano in un contenitore pieno di liquido), elettroniche, ora le più utilizzate (le emissioni degli elementi piezoelettrici vengono controllate elettronicamente), sonde settoriali, sonde lineari (ad esempio quelle utilizzate per esaminare la tiroide e che forniscono immagini rettangolari o quadrate), sonde curvilinee (utilizzate ad esempio per esaminare alcune parti del corpo come l’addome e che forniscono immagini triangolari, con il campo di vista vicino alla sonda che va via via ad allargarsi mentre ci si allontana da essa), sonde anulari, sonde biplanari transcutanee o endocavitanee, a bassa frequenza, ad alta frequenza o multifrequenza (capaci di emettere ultrasuoni a diverse frequenze, da scegliere in base alla migliore esecuzione dell’esame), sonde non phased-array e sonde phased-array (molto usate in ecocardiografia, con le quali è possibile variare la profondità, il numero dei fuochi ed anche l’angolo di incidenza del fascio senza dover modificare la posizione della sonda), ed anche sonde a più file di cristalli, che possono acquisire gli echi provenienti da un volume maggiore di tessuti o organi, ottimizzando il fascio e dando maggiore uniformità di focalizzazione a tutto il campo di scansione. Attualmente, inoltre, vengono utilizzate anche sonde che non impiegano elementi piezoelettrici ma condensatori a piatti paralleli ed altre che consentono imaging 4D di alta qualità.
Come si svolge un'ecografia?
L’esame è eseguito da un medico esperto che fa scorrere sulla zona del corpo da indagare - senza alcun dolore - una sonda lubrificata da un gel a base d’acqua per una durata di circa 15 minuti. Il paziente viene generalmente fatto sdraiare su un lettino, con la parte da esaminare scoperta. Il gel a base d’acqua viene applicato sulla pelle prima di cominciare l’esame per impedire la formazione di sacche d’aria tra la sonda e la cute, che potrebbero bloccare il passaggio degli ultrasuoni attraverso la pelle.
Nel caso venga eseguita un’ecografia interna, la sonda viene inserita all’interno dell’organismo, come può avvenire per esempio durante un’ecografia transvaginale. In tempo reale le immagini vengono visualizzate su un monitor.
È possibile indagare praticamente tutto il corpo umano, ad eccezione dello scheletro e con dei limiti per il polmone e l’intestino. L’esame è particolarmente utile per la valutazione degli organi dell’addome come fegato, pancreas, milza, apparato urinario, utero ed ovaie e prostata nell’uomo, ma anche nella valutazione dei tessuti molli come la tiroide, la mammella o nello studio di muscoli e articolazioni.
L’ecografia della mammella, o ecografia mammaria, è un esame diagnostico non invasivo effettuato attraverso una sonda a ultrasuoni. L’ecografia di tiroide e paratiroidi è un accertamento diagnostico che permette di valutare le dimensioni della tiroide e lo stato dei vasi sanguigni che la circondano, degli organi contigui e dei linfonodi.
Ecografia è una tipologia di indagine diagnostica sempre più diffusa in ambito buiatrico. È una pratica consolidata in alcuni rami specialistici, come la ginecologia, dove l’ecografo è uno strumento che accompagna la maggior parte dei buiatri che si interessano di riproduzione durante le loro attività giornaliere.
L’ecografia è una tecnica di indagine operatore-dipendente. Questo significa che l’attendibilità diagnostica deriva in larga misura dall’interpretazione delle immagini ecografiche, da parte dell’operatore, in base alla sua esperienza e capacità. La conoscenza dei meccanismi di funzionamento dell’ecografia rappresenta una solida base su cui costruire la propria attività di ecografista ed è opportuno che il principiante dedichi un buon numero di ore della propria formazione allo studio e alla conoscenza teorica. Fare proprie le nozioni di base crea un terreno fertile su cui l’attività pratica e le ore di esperienza permettono lo sviluppo di un’ottima efficacia professionale.
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