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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
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.
TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE SULPIZIO SARA
Principi Fisici di BaseGli 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:
Nei tessuti biologici è circa 1540 m/s eccetto l’osso la cui ν = 4000 m/s
fv
vZ L’impedenza acustica è
la proprietà che ci permette di distinguere i diversi tessuti.
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Principi Fisici di Base
• Onda Incidente• Onda Diffusa o Scattering• Onda Trasmessa o
Rifratta• Onda Riflessa
Propagazione US all’interfaccia
2
21
21
coscos
coscos1
it
it
ZZ
ZZTR
at
ri
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Principi Fisici di Base
• 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.
Attenuazione
i
f
I
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tessuto
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Descrizione dell’Apparato • Sonda
Le onde ultrasonore sono generate
sfruttando il fenomeno di
piezoelettricità, caratteristico di
materiali a struttura cristallina es:
Quarzo;
Ceramiche policristalline (PZT,
titanato di piombo, zirconio);
Polimeri (PVDF). + - + - + -
+ - + - + -
+ - + - + -
+
+
+
+
+
+
+
+
------------
Trasmette impulsi e riceve echi.
m
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Descrizione dell’Apparato
• Sistema elettronico
• Scan converter
• Sistema di visualizzazione
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Sistemi a scansione
A ModeB ModeM modeDoppler
Harmonic Imaging3D
{CW Doppler
PW Doppler
Eco-color Doppler
Power Doppler
TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE SULPIZIO SARAA 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:
• dove ƒd prende il nome di Doppler Shift (Frequenza Doppler), è
misurabile ed è proporzionale alla velocità.
eerd fc
vfff
co s2
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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.
Doppler CW ad onda continua
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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
Doppler PW ad onda pulsata
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Eco-Color Doppler
Soddisfa la necessità di avere contemporaneamente
informazioni fra spettro di velocità e volumi campione.
All’immagine M-Mode è sovrapposta una mappatura in scala cromatica delle velocità medie presenti in ciascun frame, in cui il colore rappresenta la direzione del 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
Poco attendibile sulla direzione del flusso
Non dipende dall'angolo di incidenza
Power doppler di carotide interna
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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
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
Maggiore risoluzione spaziale
Ridotta dipendenza operatore
Matching
Nuova tecnologia ancora in
evoluzione.
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Applicazioni nella diagnostica medica
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…
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Applicazioni nella diagnostica medica
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 ginecologiaIn 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.
TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE SULPIZIO SARA
• Cisti renali
• tumori renali
Ecografia reni
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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.
Ecografia oculare
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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.
TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE SULPIZIO SARAConclusioni: vantaggi dell’ecografia
1. E' una indagine indolore;
2. Pressoché assente invasività;
3. Facilità di esecuzione;
4. Multiplanarietà;
5. Brevità;
6. Ripetibilità dell’indagine;
7. Basso costo;
8. Poco disagio per il paziente, buona compliance;
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 molli;
12. Permette la produzione di
sezioni trasversali del corpo;
13. Ottima risoluzione temporale.
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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.
Conclusioni : svantaggi dell’ecografia
TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE SULPIZIO SARA
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