MISURE ELETTRICHE ED
ELETTRONICHE
I° anno-II° semestre
anno accademico 2005-2006
La Diagnostica Ecografica
Dr.Riccardo Di Liberto
Struttura Complessa di Fisica Sanitaria
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IRCCS-Policlinico San Matteo
ONDA
Si definisce onda la propagazione di una perturbazione.
Alla base di un fenomeno ondoso vi è un moto oscillatorio che si
genera quando una particella si muove periodicamente intorno ad una
posizione di equilibrio. Nelle onde non si ha trasporto di materia ma
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soltanto di energia.
Classificazione delle Onde
Onde Elettromagnetiche (es. la luce e le onde
radio): consistono in una variazione del campo
elettrico e si propagano nel vuoto.
Onde meccaniche (es le onde del mare e il
suono): sono generate da un fenomeno
meccanico e necessitano di un mezzo di
propagazione.
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Descriviamo attraverso il concetto di ONDA MECCANICA
il trasferimento di energia dovuto alle oscillazioni delle
particelle di un mezzo che viene perturbato.
Se le oscillazioni avvengono nella direzione di propagazione
avremo un’ onda longitudinale altrimenti sarà trasversale.
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Se assimiliamo le molecole di un mezzo a sfere rigide
collegate da legami di tipo elastico vediamo che il
suono si propaga gradualmente incontrando una
molecola dopo l’altra come mostrato in figura.
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Abbiamo quindi il susseguirsi di fasi di compressione,
associate ad un incremento di densità, e fasi di
rarefazione caratterizzate da una minore densità.
Da quanto mostrato risulta evidente che il suono è
un’onda longitudinale nella quale le particelle vibrano
nella stessa direzione della propagazione.
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Equazione dell’onda
A=A0sen(2pft)
A=ampiezza al tempo t
A0=ampiezza iniziale
f=frequenza
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Trattandosi di un fenomeno periodico, potremo
definire:
periodo T (tempo che intercorre tra il passaggio
di due fronti d’onda attraverso uno stesso
punto); [secondo]
frequenza f (numero di fronti d’onda che
attraversano un dato punto in un secondo); [Hertz]
lunghezza d’onda l (distanza tra due fronti
d’onda); [metri]
ampiezza A
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L’onda sarà pertanto caratterizzata da:
•Velocità di propagazione v che in generale dipenderà dal
mezzo in cui si propaga:
es: in aria la velocità è relativamente bassa (340 m/s), ma
diventa più elevata in un liquido (1500 m/s) o in un metallo
(5000 m/s);
•Potenza è definita come la quantità di energia che
passa
attraverso
un’immaginaria
superficie
perpendicolare al raggio sonoro. L’unità di misura è il
watt.
•Intensità Questo parametro descrive l’ammontare
dell’energia che passa attraverso una superficie
perpendicolare al fascio nell’unità di tempo. L’unità di
misura è il watt (o il milliwatt) per centimetro quadro.
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Tra queste grandezze si possono scrivere due
relazioni fondamentali:
l = v T
ovvero
l = v/f
Esempio: data la velocità di propagazione del suono
nell’aria pari a 340 m/sec, se il periodo dell’onda è di
5msec, qual è la corrispettiva lunghezza d’onda?
l = 340 (m/sec) x 5(msec) =1.7 m
E nell’acqua? (v=1500 m/sec)
l =1500 (m/sec) x 5(msec) =7.5 m
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Nella maggior parte dei casi i
fronti d’onda si possono
considerare paralleli e molto
estesi:si parla di ONDA PIANA
oppure, in vicinanza della
sorgente della perturbazione, i
fronti d’onda sono delle sfere
concentriche:si parla di ONDA
SFERICA
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Caratteristiche del mezzo
Elasticità è la capacità di un oggetto di ritornare alla
forma e alle dimensioni originarie quando cessa l’azione
della forza che ne ha provocato la deformazione. Un
onda sonora che percorre un mezzo è causa di
deformazioni elastiche.
Densità  di un mezzo è la massa per unità di volume.
Quantitativamente la velocità del suono nel mezzo è
inversamente proporzionale alla radice quadrata della
densità.
Compressibilità La compressibilità K indica il decremento
di volume causato dalla pressione agente sul materiale.
La velocità del suono è inversamente proporzionale alla
radice quadrata di quest’ultimo parametro.
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Materiale
Densità (kg/m³)
Velocità (m/s)
Aria
1.2
330
Acqua
1000
1480
Mercurio
13600
1450
Valore medio tessuto
umano
Fegato
1060
1540
1060
1550
Muscolo
1080
1580
Grasso
952
1459
Cervello
1560
1560
Rene
3038
1560
Milza
1045
1579
Sangue
1057
1575
Osso
1912
4080
Polmone
400
650
13
Frequenza
(MHz)
2.5
Lunghezza
d’onda (mm)
0.62
Periodo (µs)
3.5
0.44
0.29
5.0
0.31
0.20
7.5
0.21
0.13
10
0.15
0.10
20
0.08
0.05
Nel tessuto umano
0.40
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In un mezzo omogeneo l’onda si propaga senza
modificare i suoi parametri, ma in generale, a
causa delle perdite viscose, diminuisce
progressivamente di intensità:
si parla di ATTENUAZIONE dell’ onda
I(x)
I(x) = I(0) e -kx
In generale l’attenuazione dipende dalla
frequenza: k ~ f2 le onde di bassa
frequenza penetrano più in profondità!
x
15
Materiale
attenuazione (dB/cm)
Sangue
0.18
Grasso
0.6
Tessuto molle-Rene
1
Muscolo (perp.alle fibre)
3.3
Muscolo (lungo le fibre)
1.2
Cervello
0.85
Fegato
0.9
Polmone
40.0
Scatola cranica
20.0
Umor acqueo
0.022
Umor vitreo
0.13
Acqua
0.0022
Olio di castoro
0.95
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In un mezzo non omogeneo, oltre all’attenuazione, si
verificano altri fenomeni:
-le superfici di discontinuità (interfacce) generano la
RIFLESSIONE dell’onda nello stesso semipiano
-le piccole zone di discontinuità (di dimensioni inferiori alla
lunghezza d’onda) riflettono in tutte le direzioni, generando
il fenomeno della diffusione o SCATTERING
-nelle regioni con diverse caratteristiche fisiche cambia la
velocità di propagazione, e l’onda viene RIFRATTA,
modificando la l e la direzione di propagazione
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Riflessione speculare Il fenomeno di maggior interesse
nella diagnostica ad ultrasuoni è quello della riflessione:
un fascio di ultrasuoni che incontra la superficie di
separazione liscia di due mezzi differenti viene
parzialmente riflesso verso la sorgente con un angolo r
rispetto alla normale alla superficie pari all’angolo di
incidenza i.
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L’impedenza acustica (Z) misura la resistenza
del suono nel passare attraverso il mezzo;
l’unità di misura è g/cm²/s ( oppure kg/m²/s
detta rayl).
L’impedenza acustica è data dal prodotto
della densità per la velocità Z =  • v
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Materiale
Impedenza
Acqua
0.0004
Muscolo
1.70
Grasso
1.38
Sangue
1.62
Osso
7.28
Polmone
0.26
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Se due mezzi possiedono la stessa impedenza acustica
allora il suono verrà trasmesso da un mezzo all’altro senza
problemi, se invece i due materiali hanno impedenza diversa
parte del fascio ultrasonico verrà riflesso dall’interfaccia
di separazione.
Il coefficiente di riflessione viene espresso come segue:

 Z 2  Z1 



R
 Z 2  Z1 
2
21
Quando un sistema in grado di produrre e ricevere onde
della frequenza degli ultrasuoni (trasduttore) viene fatto
scorrere sulla pelle di un paziente il fascio prodotto
incontra molte interfacce diverse durante il percorso: una
percentuale del raggio viene trasmessa un’altra riflessa da
ciascuna interfaccia.
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Riflessione diffusa Se l’interfaccia fra i due mezzi
consiste in un a superficie ruvida allora il fascio incide la
superficie con vari angoli di incidenza e quindi verrà
riflesso in direzioni diverse.
Scattering Analogamente alla riflessione diffusa ci troviamo
di fronte ad una riflessione non speculare quando le
particelle che costituiscono l’interfaccia sono molto più
piccole della lunghezza d’onda del fascio incidente. Tale
comportamento prende il nome di «Rayleigh scattering».
23
La velocità media degli ultrasuoni nel tessuto è 1540 m/sec.
In diagnostica ecografica si impiegano ultrasuoni di
frequenza compresa fra 1 MHz e 20 MHz.
La lunghezza d’onda è quindi compresa fra 1.5 mm e 0. 077mm
Maggiore è la frequenza utilizzata, minore sarà la profondità
di penetrazione del fascio e maggiore la capacità di
discriminare il tessuto (essendo infatti minore la lunghezza
d’onda).
Ad esempio: per un’ecografia all’addome si utilizza frequenze
fra 1-4 Mhz, per un ‘ecografia al collo (tiroide) o ad un
ginocchio (legamenti) frequenze attorno ai 7-10 MHz. Per
ecografie dermatologiche frequenze dell’ordine dei 20 MHz.
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Applicazione
Odontoiatria
Intensità
(watt/cm²)
10
18-40 KHz
Fisioterapia
1-3
0.75-3 MHz
Chirurgia
1-1000
1-3 MHz
Litotrissia
extracorporea
100-1000
1-3 MHz
Diagnostica
0.001-1
1-20 MHz
(sono necessari 500
impulsi per
frammentare un calcolo)
Frequenza
25
ONDE SONORE
Infrasuoni:onde sonore la cui frequenza è
inferiore a 20 Hz. Non possono essere percepiti
dall’orecchio umano.
Pare che possano essere uditi dai bovini e dagli
elefanti.
26
ONDE SONORE
Suoni udibili:onde sonore la cui frequenza è
compresa fra 20 Hz e 20 kHz. Esse possono
venire generate dalle corde vocali e percepite dall’
orecchio umano.
27
ONDE SONORE
Ultrasuoni: onde sonore la cui frequenza è
superiore a 20 kHz. Vengono prodotti e percepiti
da alcuni animali (per esempio i pipistrelli)
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Effetti Biologici
Effetto termico: consiste nell’assorbimento di
energia meccanica convertita in calore a livello
molecolare. Il rialzo termico dovuto all’azione degli
ultrasuoni può essere matematicamente calcolato
impiegando la formula proposta da Njborg e Ziskin:
T= 0.055·a·I
T= temperatura locale espressa in calorie/cm di
tessuto esposto
a= coefficiente di assorbimento espresso in dB/cm
I= intensità media nello spazio e nel tempo
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Effetti Biologici
In realtà nei tessuti biologici la temperatura non
aumenta proporzionalmente all’energia ultrasonica
assorbita ma si stabilizza per effetto dei fenomeni di
convezione e diffusione assicurati dalla circolazione
del sangue.
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Effetti Biologici
L’entità dell’aumento termico è influenzato da fattori
fisici (durata dell’esposizione, diametro del fascio) e
da fattori tissutali (coefficiente di assorbimento,
vascolarizzazione).
È importante ricordare a tale proposito che
l’esposizione di un mezzo acquoso, liquido amniotico o
urina, comporta un innalzamento termico inferiore
rispetto a quello prodotto in tessuti più densi come il
fegato, il cervello e soprattutto l’osso.
31
Effetti Biologici
Effetti non termici
Effetto di cavitazione Indica la produzione di bolle
gassose in un liquido esposto ad un fascio di ultrasuoni,
tali bolle aumentano di volume durante la fase di
rarefazione dell’onda. Fenomeni di vibrazione e risonanza
si verificano inoltre al superamento di uno specifico
valore critico dell’intensità del fascio.
32
Effetti Biologici
Effetti non termici
Azione meccanica Consiste nella formazione di flussi
all’interno dei fluidi biologici, corrispondenti a
microspostamenti e fenomeni di torsione prodotti in
strutture molecolari e subcellulari quando queste vengono
investite dal fronte d’onda.
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Effetti Biologici
Effetti non termici
Meccanismi chimici si tratta di reazione chimiche
innescate dall’associazione dell’effetto di cavitazione e
dell’effetto termico, che comportano la produzione di
radicali liberi. Sono state infatti documentate reazioni di
ossidoriduzione, indotte dagli ultrasuoni, con produzione
di acqua ossigenata e la riduzione di nitriti in nitrati.
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Effetti Biologici
Effetti non termici
Effetti sulle macromolecole (come DNA, proteine,
mucopolisaccaridi) i più importanti da ricordare sono la
rottura della catena del DNA anche a basse intensità ed
esposizione dell’ordine di secondi; la perdita di funzione
biologica di catalizzatori da parte dei sistemi enzimatici.
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Effetti Biologici
Effetti non termici
Effetti sulle cellule comprendenti alterazioni del nucleo
(ad esempio sdoppiamento del DNA, disorganizzazione
dei cromosomi); alterazione della sintesi proteica dovuta
al
danneggiamento
dei
lisosomi;
alterazioni
ultrastrutturali come la frammentazione dei nucleoli;
aggregazione e spostamento di organucoli citoplasmatici;
maggiore permeabilità della membrana cellulare con
diminuzione del trasporto attivo; lesione dei mitocondri;
alterazione delle funzioni immunitarie.
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Per produrre un fascio di ultrasuoni si
impiegano CRISTALLI PIEZOELETTRICI
(ad esempio il quarzo,il titanato di zinco o di
bario o certi tipi di ceramiche)
PIEZOELETTRICO----> genera oscillazioni
meccaniche se sollecitato da un campo elettrico
che oscilla con uguale frequenza e viceversa
(conversione di energia elettrica in energia
meccanica e viceversa)
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Con ddp di 1-10 MHz emette 200-500 brevi
impulsi (1-5 ms) al s:
funziona da EMETTITORE.
Se investito da oscillazioni di frequenza 1-10
MHz genera nel circuito una ddp
corrispondente:
funziona da RICEVITORE.
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Appoggiando la ‘pastiglia’ ( quarzo+ elettrodi) al tessuto
si generano US. Per dimensioni della pastiglia D >> l
nel mezzo le onde si propagano come un fascio di forma
cilindrica e diametro D nel tratto prossimale (near-field)
che progressivamente diverge (far-field).
Con opportune lenti acustiche è possibile focalizzare il
fascio alla distanza voluta.
39
Ogni interfaccia produce
un’eco per riflessione.
Il tempo di ricezione
permette di localizzare
l’interfaccia, ossia di
stimare la sua distanza
dalla sonda.
L’intensità dell’eco
naturalmente si riduce al
crescere della distanza
a causa dell’attenuazione
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Per consentire la ricezione di
echi provenienti da interfacce
profonde si amplifica l’intensità
in modo proporzionale alla
distanza,modificando il guadagno
in senso inverso alla curva di
attenuazione.
(Time Gain Compensation)
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connettore
Supporto
e
involucro
Retroblocco
Elettrodo caldo
Cristalli
piezoelettrici
Elettrodo di terra
Listarella
d’accoppiamento
La sonda funge sia da trasmettitore sia da ricevitore, converte energia elettrica in
energia meccanica ultrasonica e viceversa, per questo si parla comunemente di
trasduttore ecografico. Esso risulta composto da:
- uno o più cristalli piezoelettrici
-due elettrodi tra i quali sono interposti i cristalli
- un cavo coassiale per la trasmissione del segnale elettrico
-un elemento di retroblocco: materiale assorbente (impedenza acustica molto
diversa da quella del trasduttore stesso). Assorbe l’onda ultrasonica che viene
irradiata posteriormente e smorza le vibrazioni del cristallo.
-listarella d’accoppiamento: materiale con densità intermedia tra quella del
trasduttore e dei tessuti, assicura la protezione del cristallo piezoelettrico e
ottimizza la trasmissione del fascio ultrasonico dalla sonda ai tessuti riducendo
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l’elevata differenza d’impedenza acustica esistente tra essi.
In ecografia i trasduttori funzionano solamente in
modo pulsato: viene emesso un impulso dell’ordine dei
microsecondi a cui segue un periodo di silenzio
dell’ordine dei millisecondi, per l’attesa degli echi di
ritorno.
Il numero di volte al secondo in cui il cristallo viene elettricamente
stimolato è chiamato frequenza di ripetizione dell’impulso (=PRF), il
massimo valore di questa grandezza è limitata dalla massima
profondità (R) e dalla velocità dell’onda nel tessuto (v).
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I cristalli del trasduttore dopo aver prodotto il fascio si
pongono in uno stato di ascolto degli echi di ritorno.
Infatti, sia il quarzo sia gli altri tipi di cristalli o
ceramiche con proprietà piezoelettriche, sono in grado
non solo di trasformare l’energia elettrica in meccanica
ma anche di compiere l’azione inversa e quindi trasdurre
in tensione un’onda ultrasonica, come l’eco di ritorno.
L’intensità dell’eco di ritorno (ampiezza del segnale
riflesso) contiene l’informazione necessaria per costruire
l’immagine ecografica.
Tutti segnali degli echi di ritorno opportunamente
selezionati e amplificati possono essere elaborati e
trasformati in immagini.
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Dopo che il segnale è stato elaborato viene inviato su uno
schermo ma a questo punto è necessario distinguere fra i
diversi tipi di ecografi: in quelli statici si ha una sola
immagine, come una sorta di foto mentre in quelli dinamici
l’immagine viene continuamente aggiornata nel tempo.
Tali sistemi sono chiamati real-time e sono ormai la
consuetudine nella routine clinica tanto che ormai quelli
statici sono stati soppiantati.
Fra quelli statici possiamo comunque distinguere tra quelli
che forniscono una rappresentazione unidimensionale (tale
sistema viene detto A-mode) e quelli che invece danno
un’immagine bidimensionale (il B-mode crea l’immagine sugli
echi riflessi)
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L’intensità degli echi è rappresentata come
deflessioni su di un asse verticale : maggiore
l’intensità dell’eco maggiore l’ampiezza del picco
Si parla di A-mode (AMPLITUDE ).
Nella figura seguente è possibile vedere una
rappresentazione unidimensionale degli echi di tre
interfacce a profondità diverse.
Ampiezza
Profondità
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Gli echi sono rappresentati tramite punti luminosi, la
cui intensità è proporzionale agli echi stessi:
maggiore l’intensità dell’eco maggiore l’intensità
luminosa.
Si parla di B-mode (BRIGHTNESS).
M
M
L
L
K
K
H
H
G
G
N
N
47
Il sistema di rappresentazione bidimensionale basato sulla
ricezione degli echi riflessi dalle varie interfacce è quello
che permette una miglior rappresentazione delle strutture.
Vengono così accumulate in un’unica rappresentazione più
linee di vista. Qualora l’immagine venga continuamente
aggiornata nel tempo allora il sistema diventa dinamico e non
più statico, esso prende il nome di real time imaging system.
In questi sistemi le informazioni vengono aggiornate ad un
ritmo di 30 o più volte al secondo (frames/s).
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Le diverse linee di vista, e quindi
le diverse direzioni del fascio, di
ultrasuoni possono essere
ottenute con dispositivi basati sul
movimento dei trasduttori (sonde
meccaniche) oppure basati su
funzioni di carattere elettronico
(sonde elettroniche).
Tutte le linee di vista vengono
registrate su dispositivi analogici
o digitali che si comportano come
memorie che, una volta acquisite
tutte le linee che formano
l’immagine, le inviano ad un
monitor televisivo per la
rappresentazione.
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L’indagine di una regione estesa in un sistema real time può
essere eseguita tramite una matrice di cristalli organizzati
in un unico trasduttore.
La scansione della regione viene realizzata:
1) sincronizzando tra loro l’emissione e la ricezione
dei cristalli, in modo che l’eccitazione tramite una
sequenza preordinata realizzi la voluta focalizzazione
del fascio nelle regioni indagate
2) ‘congelando’ le parti di immagine via via prodotte
dai cristalli già eccitati, rinfrescando l’intera immagine
solo al termine della scansione completa. Ciò naturalmente
richiede notevole memoria video.
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L’informazione ottenuta da un’area in esame viene suddivisa in piccoli
quadrati chiamati “pixels” che vengono combinati per formare
l’immagine.
Ciascun pixel corrisponde ad una particolare regione denotata dalle
coordinate x e y ed è associato all’ampiezza dell’eco riflesso da quella
regione. Il numero dei pixels utilizzati dipende dalle dimensioni della
matrice (se una matrice è 512 X 512 significa che ha 512 righe ed
altrettante colonne e quindi ha 512 pixel).
X
Y
Y
X
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Risoluzione dell’indagine ecografica: è la minima distanza
tra due strutture in grado si produrre echi distinguibili.
Si distingue una risoluzione laterale (le due strutture sono
poste in un piano parallelo all’asse del fascio) ed una assiale
(le due strutture sono poste lungo il fascio).
La risoluzione laterale dipende dalle dimensioni e dalla
forma del fascio, e migliora nella zona focale.
La risoluzione assiale dipende dalla durata del pacchetto di
US emesso, e in ogni caso non può essere minore della
laterale: occorre dunque lavorare con onde di alta
frequenza, che verranno però maggiormente assorbite.
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Risoluzione di contrasto.
Un oggetto, che presenta un coefficiente d'attenuazione
diverso rispetto al tessuto circostante, determina una
modulazione dell’eco riflesso e produce un contrasto nella scala
di grigi. Questo tipo di risoluzione rappresenta il più piccolo
contrasto nell’oggetto che determina nell’immagine un
contrasto rilevabile dall’occhio umano.
Struttura bianca=intensità
dell’eco riflesso molto
alta=struttura solida
Struttura nera=intensità
dell’eco riflesso molto
bassa=struttura liquida
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…grazie per l’attenzione!
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