Ecografia medica
Cos'è l'ecografia
Gli ultrasuoni non sono molto diversi dalle onde sonore che conosciamo, tranne per il fatto che non riusciamo a sentirne il "suono". Quando la frequenza delle onde sonore supera i 20 kHz, che è oltre l'intervallo che le persone normali possono percepire, questo tipo di onde sonore è chiamato ultrasuoni. Allo stesso modo, se la frequenza di un'onda sonora è inferiore alla gamma che gli esseri umani possono sentire, è un'onda infrasonica. Quindi, in altre proprietà fisiche, le onde ultrasoniche sono fondamentalmente le stesse delle onde sonore. L'ultrasuono/onda sonora è un tipo di onda meccanica, onda longitudinale e onda di pressione. Viene propagato dalla vibrazione delle particelle e la vibrazione delle particelle continuerà a generare aree di pressione relativamente alta e bassa (come mostrato nella figura seguente) e la sua direzione di vibrazione è coerente con la direzione di propagazione, quindi la propagazione delle onde ultrasoniche richiede un mezzo. Con mezzi diversi, la velocità delle onde ultrasoniche è diversa. Ad esempio, la velocità nell'aria è di circa 340 metri al secondo, nel corpo umano è di circa 1540 metri al secondo e la velocità nel vuoto è 0. Gli ultrasuoni hanno una vasta gamma di applicazioni, soprattutto in campo medico. In quanto metodo non radioattivo, gli ultrasuoni possono aiutare i medici a fare una migliore diagnosi dei pazienti. Verrà ampliato in dettaglio in seguito.
Come generare ultrasuoni
La generazione di onde ultrasoniche e la generazione di onde sonore si basano sullo stesso principio. Per le onde sonore, di solito utilizziamo il telefono come esempio. Quando si parla, il suono (energia meccanica) viene convertito in segnali elettrici (energia elettrica) che viaggiano all'altra estremità, quindi durante l'ascolto, i segnali elettrici vengono riconvertiti in suono. Questo è esattamente lo stesso del processo di generazione e ricezione di onde ultrasoniche e il loro principio è l'effetto piezoelettrico. L'effetto piezoelettrico è che alcuni materiali, come il quarzo, generano un certo grado di tensione sulla sua superficie quando è sottoposto a pressione meccanica; e se applichiamo una tensione alla sua superficie, genererà un certo grado di deformazione meccanica. Quindi, attraverso un preciso controllo del segnale elettrico, possiamo generare e ricevere onde ultrasoniche. Attualmente, il PZT è il materiale più comune utilizzato negli strumenti a ultrasuoni. Nel normale funzionamento dello strumento, le onde ultrasoniche di solito appaiono sotto forma di impulsi anziché onde continue, quindi in generale il PZT riceve il segnale di impulso elettrico, genera un'onda ultrasonica, quindi inizia a monitorare e la ricezione restituisce uno dopo un'altro. I segnali ultrasonici vengono convertiti nei corrispondenti segnali elettrici per l'ulteriore elaborazione dei dati e il ciclo viene ripetuto fino al completamento della scansione.
Propagazione degli ultrasuoni nel corpo umano
Come accennato in precedenza, la velocità delle onde ultrasoniche nel corpo umano è di circa 1540 metri al secondo, che è in realtà un valore medio ed è anche la velocità di calibrazione utilizzata dagli strumenti a ultrasuoni nella maggior parte dei casi. Come verrà menzionato in seguito, l'imaging a ultrasuoni si basa sulla stima della velocità degli ultrasuoni e la sua accuratezza avrà un impatto diretto sulla qualità dell'immagine. Quindi, per diversi organi e tessuti, la velocità di trasmissione è diversa. Ad esempio, sono circa 1510 metri al secondo nel cervello, circa 1560 metri al secondo nel fegato e nei reni, 1570 metri al secondo nei muscoli, ecc. Questi non sono molto diversi dalla media. Tuttavia, la velocità ultrasonica nel grasso è solo di circa 1440 metri al secondo. Questa differenza di velocità fa diminuire significativamente la qualità dell'immagine ultrasonica per i pazienti obesi, quindi in questo caso lo strumento ricalibrerà o regolerà dinamicamente la velocità.
Poiché gli ultrasuoni sono una specie di onda, produrranno anche fenomeni fisici legati alle onde con vari tessuti e organi durante la propagazione del corpo umano. Questi fenomeni sono alla base dell'imaging con gli ultrasuoni. Principalmente trasmissione, riflessione, diffusione e rifrazione. Quando il PZT emette onde ultrasoniche e incontra organi/tessuti umani, parte delle onde può penetrare e continuare a propagarsi in profondità nel corpo umano lungo la direzione originale, che è la trasmissione e l'energia delle onde sarà parzialmente assorbita nel processo; la restante parte delle onde Ritornando nella direzione opposta ed essendo ricevuta dal PZT, questa parte è l'onda riflessa, e il segnale di queste onde riflesse è la principale materia prima per l'imaging; l'energia delle onde sparse è solitamente molto piccola e le onde rifratte interferiranno con l'imaging. Fondamentalmente, la capacità degli ultrasuoni di trasmettere e la capacità di organi/tessuti di assorbire gli ultrasuoni determina quanto in profondità gli ultrasuoni possono "vedere". Perché più bassa è la frequenza, più forte è la penetrazione degli ultrasuoni, quindi quando i medici hanno bisogno di vedere più in profondità, spesso verrà utilizzato un rilevatore di frequenza più bassa (trasduttore), ma la bassa frequenza di solito causa il degrado della qualità dell'immagine. Questo è un compromesso che deve essere fatto e sarà discusso in dettaglio più avanti quando parleremo di rilevatori.
Introduzione all'imaging medico ad ultrasuoni
Con l'approfondimento della ricerca e delle esigenze mediche, le immagini ecografiche sono cambiate da solo 1D a 3D/4D. Gli strumenti a ultrasuoni possono ora supportare una varietà di modalità di imaging per soddisfare le esigenze di diversi pazienti e medici. Quanto segue introduce diverse modalità di imaging tradizionali.
A-mode: è la cosiddetta 1D, che è la modalità più semplice. Il rivelatore emette un'onda di onde ultrasoniche in una certa direzione e lo strumento presenta l'equazione tra il segnale riflesso e la profondità e l'immagine è simile al segnale che di solito vediamo su un oscilloscopio. La modalità A era la modalità principale dei primi strumenti a ultrasuoni ed è meno utilizzata ora, ma può anche essere utilizzata per guidare le onde ad alta energia per trattare i tumori durante l'intervento chirurgico.
Modalità B: B è la luminosità qui. In questa modalità, il rilevatore scansiona un'area e genera un'immagine 2D in scala di grigi. Questa è una delle modalità più comunemente utilizzate. Più chiaro è il colore (bianco), più forte è il segnale riflesso, generalmente la superficie dell'organo/tessuto, e più scuro è il colore (nero), più debole è il segnale riflesso.
Modalità M: qui M è movimento. In modalità movimento, lo strumento esegue la scansione e l'imaging in modalità B rapida, in modo che il medico possa vedere il movimento dell'organo, che è particolarmente importante per la diagnosi correlata al cuore.
Modalità Doppler: modalità Doppler, dal nome dell'uso del fenomeno Doppler per misurare la velocità di oggetti in movimento. In modalità Doppler, i medici possono monitorare il flusso e la direzione del sangue per identificare possibili lesioni nei vasi sanguigni.
Color Doppler: questa modalità può essere intesa semplicemente come B-mode/M-mode più Doppler, ovvero, sulla base di immagini 2D in scala di grigi, la modalità doppler e la calibrazione del colore vengono utilizzate per visualizzare la posizione, il flusso sanguigno, la portata e direzione dei vasi sanguigni.
3D/4D: la modalità 3D è un'immagine 3D che può presentare organi/tessuti. Per quanto riguarda il 4D, è un'immagine 3D in tempo reale. Sebbene molti strumenti a ultrasuoni avanzati utilizzino modalità 3D e 4D, generalmente non vengono utilizzati molto.
