L’ecografia è una tecnica di imaging che utilizza ultrasuoni per generare immagini bidimensionali delle strutture interne del corpo. Si basa sul principio impulso-eco, secondo cui un’onda acustica emessa dal trasduttore interagisce con i tessuti, viene in parte riflessa e ritorna alla sonda sotto forma di eco, permettendo la ricostruzione dell’immagine.
L’ecografia in sintesi
- La sonda ecografica emette un fascio di ultrasuoni.
- Gli ultrasuoni si propagano nei tessuti come onde di pressione fino a incontrare un’interfaccia tra due mezzi con proprietà diverse.
- A ogni interfaccia:
- Una parte dell’energia viene riflessa (eco),
- una parte viene trasmessa, e può essere rifratta o assorbita.
- Gli echi ritornano alla sonda, che li riconverte in segnali elettrici.
- Il processore dell’ecografo misura il tempo di ritorno (time-of-flight) degli echi, assumendo una velocità di propagazione costante nei tessuti (1540 m/s), e calcola la profondità di origine dell’eco.
- Il risultato è un’immagine in scala di grigi, in cui l’intensità dipende dalla forza dell’eco.
Cosa sono gli ultrasuoni?
Il suono come onda meccanica
Il suono è una forma di energia meccanica generata dalla vibrazione di un corpo oscillante. Si propaga come un’onda con alternanza di zone di compressione e rarefazione delle particelle del mezzo.
Frequenza e lunghezza d’onda
- Lunghezza d’onda (λ): distanza tra due compressioni o rarefazioni consecutive.
- Frequenza (f): numero di cicli al secondo → unità Hertz (Hz).
Gli ultrasuoni hanno una frequenza di 20 kHz, oltre la soglia udibile dall’orecchio umano (ma apprezzabili benissimo per esempio dall’orecchio dei cani). In ecografia medica si utilizzano ultrasuoni con frequenze 1–20 MHz.
Velocità del suono
La velocità del suono dipende dalla densità del mezzo e dalla sua elasticità. Esempi:
- Aria: ~330 m/s → pessima trasmissione (motivo per cui serve il gel).
- Osso: ~4000 m/s → forte assorbimento.
- Tessuti molli: 1540 m/s. Assumendo una velocità costante per la maggior parte dei tessuti molli è possibile calcolare la profondità delle strutture, proporzionale al tempo di ritorno dell’eco.
Cos’è l’impedenza acustica?
L’impedenza acustica rappresenta l’opposizione del tessuto al passaggio dell’onda acustica; assumendo la velocità del suono costante essa dipende dalla densità del mezzo. Differenze di impedenza tra due tessuti determinano quanto fascio viene riflesso e quanto trasmesso.
Perché è importante?
- Il contrasto dell’immagine dipende dalla differenza di impedenza tra due tessuti.
- Grande differenza → forte eco riflesso → struttura più “bianca”.
- Piccola differenza → eco debole → struttura più “grigia/scura”.
- L’impedenza è la causa della progressiva perdita di energia del fascio ultrasonoro, quindi della sua attenuazione.
Cos’è l’attenuazione?
L’attenuazione del fascio ultrasonoro è la sua progressiva perdita di energia mentre attraversa un mezzo. Questo fenomeno è la causa del limite di visibilità delle strutture troppo profonde. L’attenuazione dipende da due fattori:
- Attenuazione da Interfaccia → Un’interfaccia è il piano di separazione fra due tessuti con proprietà biomeccaniche diverse. Quando il fascio ultrasonoro incontra un’interfaccia, una parte dell’energia viene riflessa e ritorna verso il trasduttore sotto forma di eco.
- Attenuazione interna → la parte di fascio non riflesso prosegue lungo il percorso nel tessuto, perdendo progressivamente energia. Questo è dovuto a:
- assorbimento → conversione in calore (meccanismo principale)
- scattering → deviazione dell’onda da microstrutture o disomogeneità
- riflessioni multiple
Fascio riflesso: generazione dell’eco
Angolo di insonazione e specchi acustici
Il fascio riflesso ha un angolo di riflessione uguale all’angolo di incidenza. Questo significa che se il fascio colpisce perpendicolarmente (90°) l’interfaccia, il fascio riflesso torna dritto verso la sonda con la massima intensità. Le interfacce perpendicolari agiscono come specchi acustici.
La riflessione speculare si verifica quando l’interfaccia è ampia e liscia (es. pleura, pareti vascolari, parete vescicale distesa, rima endometriale).
Intensità dell’eco: Impedance mismatch
Ogni tessuto ha un valore specifico di impedenza e l’eco dipende dalla differenza di impedenza tra due mezzi. Maggiore è la differenza di impedenza, maggiore è l’energia del fascio riflesso. Per esempio interfacce con differenza di impedenza estrema come Aria ( bassissimo) e osso: (molto alto) riflettono quasi tutto il fascio, impedendo la penetrazione. Gli effetti pratici sono:
- Liquidi omogenei → anecogenicità per assenza di interfacce (immagine nera).
- Tessuto-aria: fino al 99,9% del fascio viene riflesso. Il gel elimina lo strato d’aria tra sonda e cute.
- Meteorismo e coste: impediscono la visualizzazione delle strutture profonde.
- Interfacce sferiche o molto riflettenti come l’ osso o i calcoli generano un’ ombra acustica profonda (assenza di dati oltre la struttura).
- Interfacce ampie e perpendicolari (pleura, vescica, diaframma) generano artefatto da riverbero (linee ecogene parallele).
- I tessuti molli sono caratterizzati da impedenze simili, per questo possono essere studiati bene. essi permettono una buona penetrazione del fascio, generano echi utili alla diagnostica.
Fascio trasmesso: assorbimento, scattering e rifrazione
Assorbimento
L’energia dell’onda ultrasonora non riflessa che prosegue il suo percorso viene convertita in calore, causato dall’attrito molecolare e dal movimento oscillatorio delle particelle. Il riscaldamento nei tessuti sebbene sia del tutto minimo ed irrilevante in ecografia diagnostica, diventa importante nelle terapie ultrasonore (onde d’urto) e nell’esposizioni prolungate ad alte intensità di ultrasuoni.
Scattering
Quando il fascio incontra piccole interfacce (dimensioni < lunghezza d’onda), o che hanno orientamento casuale il fascio si disperde in tutte le direzioni (riflessione diffusa), generando echi deboli e multipli che si manifestano come “speckles”, cioè la classica macchiettatura ecografica. Lo scattering determina l’ecotessitura parenchimale.
Gli speckles non rappresentano la reale microarchitettura di un tessuto ma sono indicativi della sua omogeneità, permettono di identificare pattern parenchimali normali e diventano più grossolani in condizioni patologiche (es. cirrosi, fibrosi).
Effetto della frequenza della sonda
Alta frequenza → più scattering
- Vantaggio: aumentano lo scattering, migliorano il dettaglio parenchimale
- Svantaggio: minore penetrazione
Rifrazione
Avviene quando l’onda attraversa un’interfaccia obliqua. Il fascio trasmesso che ha attraversato l’interfaccia cambia direzione determinata dalla diversa velocità del suono nei due mezzi. Molto frequente perché la maggior parte delle interfacce è insonata con angoli obliqui. Può contribuire a artefatti e variazioni nell’intensità dell’immagine.
Come compensare l’attenuazione?
L’attenuazione de fascio può essere compensata le seguenti tecniche:
- Guadagno globale (gain) Amplifica il segnale totale dell’immagine.
- TGC (Time Gain Compensation). Amplifica selettivamente gli echi in funzione del tempo (quindi della profondità). Tipicamente si riduce il guadagno nei tessuti superficiali e lo si aumenta nei tessuti profondi per avere un’immagine uniforme nonostante l’attenuazione
- Relazione inversa tra frequenza e penetrazione:
- Frequenze alte (10–20 MHz) → alta risoluzione, bassa profondità (superfici: tiroide, muscoli, tendini).
- Frequenze basse (1–5 MHz) → maggiore penetrazione, minori dettagli (addome, cardiologia, ostetricia).
