Ecografia: Scopri il Principio Fisico e Come Funziona Davvero!

L'ecografia è una tecnica diagnostica per immagini che si serve degli ultrasuoni. L’Ecografia, base di partenza di altri esami quali l’Ecodoppler e l’Ecocolordoppler, è una tecnica di indagine diagnostica per immagini, che si serve degli ultrasuoni e si basa sul principio dell’emissione di eco e della trasmissione delle onde ultrasonore.

Cosa sono gli Ultrasuoni?

In fisica, gli ultrasuoni sono onde meccaniche elastiche longitudinali caratterizzate da lunghezze d'onda piccole e frequenze elevate. Le onde sono caratterizzate da un moto oscillatorio in cui la sollecitazione di un elemento si trasmette agli elementi vicini e da questi agli altri, fino a propagarsi a tutto il sistema. Questo moto, risultante dall'accoppiamento di moti individuali, è un tipo di moto collettivo, dovuto alla presenza di legami di tipo elastico fra i componenti del sistema. Esso dà origine alla propagazione di una perturbazione, senza alcun trasporto di materia, in una qualsiasi direzione entro il sistema stesso. Questo moto collettivo è chiamato onda.

La lunghezza d'onda è intesa come distanza tra due punti consecutivi in fase, cioè aventi, nello stesso istante, identica ampiezza e senso di moto. La frequenza è definita come il numero di oscillazioni complete, o cicli, che le particelle compiono nell'unità di tempo ed è misurata in Hertz (Hz). Il range di frequenze utilizzate negli ultrasuoni è compreso tra 1 e 10-20 Mega Hertz (MHz, cioè un milione di Hertz) ed a volte è anche maggiore di 20MHz.

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.

Impedenza Acustica

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.

Ogni tessuto ha una propria diversa resistenza ad essere attraversato dalle onde degli ultrasuoni, chiamata Impedenza Acustica. Quando la sonda incontra un tessuto di diversa Impedenza Acustica rispetto al precedente, l’onda viene in parte riflessa e in parte assorbita dai tessuti; la parte riflessa torna, quindi, indietro portando informazioni sulla differenza di Impedenza dei diversi tessuti, che vengono elaborate da un computer e visualizzate su un monitor.

Generazione degli Ultrasuoni e l'Effetto Piezoelettrico

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 cristallini sono contenuti all’interno della sonda ecografica che, posta a contatto con la cute del paziente, emette raggi di ultrasuoni i quali attraversano i corpi da esaminare e ne esplorano i tessuti sottostanti. 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.

Ecco perché è necessario utilizzare un gel apposito da interporre tra la pelle e la sonda: per eliminare l’aria e permettere agli ultrasuoni di penetrare con facilità nel corpo da esaminare.

Modalità di Visualizzazione: A-Mode, TM-Mode, B-Mode

Esistono diverse modalità di visualizzazione delle immagini ecografiche:

A-Mode (Amplitude Mode): È il modo più semplice di rappresentare il segnale ecografico ed è di tipo monodimensionale (cioè offre un'analisi in una sola dimensione). 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. 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): 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. In base alla tecnica di scansione, l'ecografia B-Mode può essere statica (o manuale) o dinamica (real-time).

Come si Svolge l'Esame Ecografico?

L’Ecografia viene sempre eseguita da un medico esperto, che fa scorrere sulla zona del corpo da analizzare una sonda lubrificata da un gel a base d’acqua, per una durata complessiva compresa tra i 15 e i 30 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.

Cosa si Può Visualizzare con l'Ecografia?

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 Doppler

Con l’ecografia è possibile anche monitorare il flusso nei vasi sanguigni, tramite una modalità di analisi detta ecografia doppler o eco-doppler. Il principio fisico alla base è l’effetto Doppler, per cui, quando ricevitore e sorgente si trovano in movimento l’uno rispetto all’altro, le onde sonore percepite dal primo hanno una frequenza diversa rispetto a quella dei suoni emessi dalla seconda.

In particolare, se l’onda recepita dalla sonda ha una frequenza superiore rispetto a quella emessa, ricevitore e sorgente si stanno avvicinando, mentre se, viceversa, si stanno allontanando, la frequenza risulterà inferiore. L’eco-doppler è molto utilizzata nell’analisi del flusso venoso e può fornire informazioni che riguardano la velocità e la resistenza allo scorrimento del sangue, consentendo di mettere in evidenza restringimenti (stenosi) dei vasi, rallentamenti o inversioni della regolare direzione del flusso sanguigno.

Queste informazioni possono essere visualizzate colorando in modo diverso nell’immagine le parti di flusso in avvicinamento e quelle in allontanamento (tipicamente di rosso le prime e di blu le seconde), e si parlerà in questo caso di ecocolordoppler. Tale tecnica non consente di visualizzare molto bene i vasi più piccoli, più profondi o con un flusso molto lento, per i quali si preferisce usare il cosiddetto power Doppler, che misura l’energia delle onde riflesse e ha maggior sensibilità (anche se non consente di individuare la direzione del flusso).

Sicurezza dell'Ecografia

L’ecografia è un esame semplice e non invasivo, in quanto non utilizza radiazioni ionizzanti (più comunemente conosciute come “raggi X”) e, a differenza di altre indagini diagnostiche quali TAC e Risonanza Magnetica, non presenta alcun effetto collaterale ed è quindi ripetibile più volte senza alcun rischio per la salute.

Nella sua pur breve storia di uso medico non è stato confermato alcun caso di effetti indesiderati per l’utilizzo di questa tecnica con le apparecchiature moderne e in mano a professionisti con adeguata formazione. Tuttavia, ovviamente si verificano effetti fisici: le onde sonore infatti sono in grado di esercitare pressione e trasferire energia meccanica ai tessuti, riscaldandoli.

Per questo motivo, così come per le altre tecniche diagnostiche, l’esposizione agli ultrasuoni va limitata al minimo indispensabile, specialmente per quanto riguarda quelli a maggior intensità emessi dai dispositivi per l’eco-doppler.