La sonda ecografica o trasduttore è ciò che permette di generare il fascio ultrasonoro e di registrare gli echi, rappresenta quindi il cuore dell’apparecchiatura ecografica. La funzione principale del trasduttore è di convertire l’energia elettrica in energia meccanica e viceversa. Le moderne sonde sono costituite da tre elementi fondamentali:
- Elementi attivi: cristalli piezoelettrici che, alternando le fasi di emissione e ricezione degli ultrasuoni, costituiscono la base del principio impulso–eco.
- Strato smorzante: ha il compito di assorbire le vibrazioni residue dei cristalli.
- Strato di accoppiamento: riduce la riflessione del fascio ultrasonoro all’interfaccia tra la sonda e la cute, migliorando la trasmissione del segnale.
1. Elementi attivi (cristalli piezoelettrici)
La componente centrale della sonda ecografica è rappresentata dai cristalli piezoelettrici. Si tratta di materiali cristallini speciali che, in presenza di una differenza di potenziale elettrico, vanno incontro a una deformazione meccanica del cristallo (effetto piezoelettrico). Viceversa, una deformazione meccanica applicata perpendicolarmente alla superficie del cristallo genera una polarizzazione elettrica, fenomeno noto come effetto piezoelettrico inverso.
Questa duplice proprietà permette al trasduttore di funzionare sia come emettitore sia come ricevitore di ultrasuoni. Durante la fase di emissione, la deformazione indotta dalla corrente elettrica produce onde acustiche, generando il fascio ultrasonoro. Nella fase di ricezione, invece, gli echi di ritorno deformano i cristalli, producendo deboli segnali elettrici che vengono successivamente elaborati dal sistema per la formazione dell’immagine ecografica.
Caratteristiche dei cristalli piezoelettrici:
- Il più utilizzato è il titanato zirconato di piombo (PZT), ma ne esistono altri in fase di studio
- Ogni cristallo possiede una frequenza di risonanza propria, inversamente proporzionale al suo spessore.
- Frequenze più elevate richiedono cristalli più sottili, più complessi e costosi da realizzare.
- Lo spessore dei cristalli è generalmente progettato pari a circa metà della lunghezza d’onda degli ultrasuoni desiderati.
- La massima efficienza di conversione elettromeccanica si ottiene quando la frequenza applicata coincide con la frequenza di risonanza del cristallo.
- Le sonde ecografiche moderne sono prevalentemente multielemento e multifrequenza, quindi l’operatore può modulare la frequenza di emissione variando la tensione applicata al materiale piesoelettrico, oppure utilizzando sonde multipiano a matrice verticale, dove gli elementi attivi sono disposti in più strati di cristalli con diverso spessore.
2. Strato di smorzamento
Lo strato di smorzamento, o backing layer, è un componente essenziale della sonda ecografica e si trova posteriormente ai cristalli piezoelettrici. La sua funzione principale è quella di assorbire e attenuare rapidamente le vibrazioni generate dall’impulso elettrico, che altrimenti persisterebbero interferendo con la fase di ricezione degli echi.
Riducendo il numero di oscillazioni residue, lo strato di smorzamento consente una transizione rapida ed efficace tra le fasi di emissione e di ricezione. I materiali utilizzati sono progettati con un’impedenza acustica simile a quella dei cristalli piezoelettrici, così da limitare le riflessioni all’interfaccia tra so strato dei cristalli e lo strato di smorzamento, prevenendo fenomeni di riverbero.
3. Strato di accoppiamento
Lo strato di accoppiamento è il terzo elemento fondamentale della sonda ecografica e ha lo scopo di ridurre la riflessione degli ultrasuoni all’interfaccia tra trasduttore e cute. È generalmente costituito da una resina epossidica arricchita con tungsteno e polvere di alluminio. In assenza di questo strato, a causa della marcata differenza di impedenza acustica tra i cristalli piezoelettrici e i tessuti biologici, circa l’80% dell’energia acustica emessa verrebbe riflessa a livello dell’interfaccia.
