METODI FISICI
DI DOSIMETRIA
DI FASCI
ULTRASONORI
PER DIAGNOSTICA
MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE
1° anno - 2° semestre a.a. 2005-2006
Dr. Riccardo Di Liberto
CARATTERISTICHE
PRINCIPALI DEGLI ECOGRAFI
•Principi di funzionamento;
•Trasduttori e forma del fascio ultrasonoro emesso;
•Modi di analisi;
•Mezzi di contrasto.
PRINCIPI DI
FUNZIONAMENTO
•Utilizzo di ultrasuoni nella gamma di frequenze tra 2 Mhz
e 20 MHz;
•Attesa degli echi generati da interfacce comprese tra
mezzi con diversa impedenza acustica, oppure prodotti da
diffusori acustici.
TRASDUTTORI E FORMA
DEL FASCIO
•Ultrasuoni generati e ricevuti da elementi piezoelettrici
( ceramiche, quarzi, PVDF);
•Utilizzo di onde ultrasonore continue o pulsate
•Trasduttori
singoli
o
disposti
focalizzazione e scansione automatica
su
matrici
per
Forma del fascio
generato da un
trasduttore
Impulsi (PD, PRP, PRF,
duty factor)
FOCALIZZAZIONE
•Ottenuta con trasduttori di forma concava;
•Ottenuta con lenti acustiche (rifrazione);
•Ottenuta con matrici di trasduttori eccitati con opportuni
ritardi.
SCANSIONE AUTOMATICA
Meccanica
Linear array
Convex array
Phased array
PRINCIPALI MODI DI ANALISI
•Modo di analisi A (A-mode)
•Modo di analisi B (B-mode)
•Real-time
•Modo di analisi M(M-mode)
•Doppler pulsato
•Color Doppler
A-MODE
Il tempo (t) di ritorno
Intensità dell'eco
di un eco al trasduttore
segnale
rum
ore
è legato alla profondità
(L)
della
interfaccia
che lo genera:
T
em
po o
profondità
1
L  ct
2
c = velocità ultrasuoni = 1540 m/s
B-MODE
•Si determina la posizione della linea di vista da cui
provengono gli echi;
•Gli echi vengono rappresentati su uno schermo con
una modulazione in scala di grigi in base alla loro
ampiezza;
•Si acquisiscono i dati di linee di scansione poste
lungo un piano (piano di scansione) e si costruisce
un’immagine bidimensionale.
REAL-TIME
La
scansione
viene
eseguita
velocemente
e
ripetutamente, con matrici di trasduttori, in modo da
seguire in tempo reale i movimenti delle strutture
interne al paziente.
M-MODE
Viene seguito il moto di una interfaccia mediante la
rappresentazione della sua profondità in funzione del tempo
Se l’interfaccia è ferma viene visualizzata una linea retta
orizzontale; se l’interfaccia cambia la sua profondità la
linea si sposta verticalmente.
ECOCARDIOGRAFIA
DOPPLER IMAGING
2 f 0v cos 
fD 
c
f Dc
v
2 f 0 cos 
fD = frequenza Doppler
v = velocita di scorrimento del fluido
c = velocità dell’onda ultrasonora nel mezzo
COLOR DOPPLER
Sull’immagine bidimensionale in scala di grigi viene
sovrapposta una mappatura in colore riferita alla
frequenza Doppler e quindi alla velocità del fluido.
rosso: fD > 0
blu: fD < 0
MEZZI DI CONTRASTO
•Utilizzati per migliorare le diagnosi
•Bolle di aria libere o incapsulate con tropismo specifico
Immagine ottenuta senza
Immagine ottenuta con
mezzo di contrasto
mezzo di contrasto
MECCANISMI CHE INDUCONO
EFFETTI BIOLOGICI
•Effetti meccanici della pressione acustica
•Streaming (fluidi)
trasduttore
direzione del flusso c on
presenza di streaming
•Cavitazione stabile e transiente (soglia di intensità)
•Effetti termici (assorbimento)
GRANDEZZE FISICHE
CORRELATE CON GLI EFFETTI
BIOLOGICI
PRESSIONE
ACUSTICA (Pa)
p2
I
 c
INTENSITÀ
ACUSTICA (mW/cm2)
•Pressione massima negativa (pr)
•Pressione efficace sulla durata
dell’impulso (pp)
•Pressione di picco spaziale efficace
sull’impulso (pspp)
•Pressione di picco spaziale efficace
sul periodo di ripetizione (pspr)
•Intensità di picco spaziale
mediata sull’impulso (Isppa)
•Intensità di picco spaziale e
media temporale (Ispta)
LINEE GUIDA FDA E AIUM
SUI LIMITI DI DOSE
Applicazione clinica
Ispta (mW/cm2)
Vasi periferici
1500
Cuore
730
Addome, piccoli organi,
testa, bambini e feto
180
Occhi
68
Nel caso di fasci focalizzati con Ispta < 1 W/cm2 gli effetti termici e di
cavitazione risultano comunque trascurabili.
Tipi di ECOGRAFI di
differente tecnologia
Marca: ATL
Modello: Hdi 3000
(banda larga)
Marca: SIEMENS
Modello: Antares
(banda stretta)
SONDE ANALOGHE NEI DUE
TIPI DI ECOGRAFO
ATL Hdi 3000
Convex 4-2
Linear 10-5
SIEMENS Antares
Convex 5-2
Linear 10-5
CONTROLLI DI QUALITA’
Analisi di alcuni parametri delle immagini di un apposito
fantoccio mediante il software “UltraIq” (Ramsoft).
Il software prende in considerazione i livelli di grigio dei
pixel.
Uniformità
Linearità assiale
Risoluzione assiale e laterale
Forma di pseudo cisti e pseudo tumori
Ampiezza della “zona morta”
FANTOCCIO GAMMEX RMI
403GS LE
3 mm
0
ZONA MORTA
2
PSEUDO TUMORE
4
3 mm
PSEUDO CISTE
6
SCALA DI GRIGI
cm
8
RISOLUZIONE ASSIALE
10
TARGET PER LA ZONA MORTA
1.0 mm
PSEUDO CISTI
12
2.0 mm
14
1.0 mm
0,5 mm
16
0,25mm
REPERI DI NYLON
18
TARGET PER LA RISOLUZIONE ASSIALE
ATL Hdi 3000 SONDA CONVEX
Fuochi
Valor medio dei
livelli di grigio
ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA
Uniformità
150
100
50
0
0
5
10
Profondità
15
MISURE DI PRESSIONE ED
INTENSITA’ ACUSTICA
Vengono eseguite misure con diverse configurazioni degli
ecografi:
• ricerca del picco spaziale della pressione acustica efficace
mediata sull’impulso, al fine di calcolare Ispta.
•andamento della pressione acustica massima negativa, della
pressione acustica efficace mediata sull’impulso e della Ispta in
funzione della emissione dell’ecografo (indice meccanico MI)
•andamento dei profili di emissione in direzione della scansione
e in direzione perpendicolare alla scansione, alla profondità del
picco spaziale.
IDROFONO
Rivestimento esterno
1 mm
Tubo di sostegno (Gnd)
Elemento piezoelettrico
Materiale di Backing
Elemento
piezoelettrico
Elettrodo
Cavo
coassiale
Rivestimento
esterno
Zona per il
fissaggio
Curva di calibrazione
Incertezza di misura
± 11%
± 10,4%
± 12,2%
± 14,3%
± 14,9%
± 16%
± 16,6%
tra 1 MHz e 7 MHz
tra 8 MHz e 10 MHz
tra 11 MHz e 13 MHz
a 15 Mhz
a 17 MHz
a 19 MHz
a 20 MHz
Impedenza di tipo
capacitivo
84  3 pF
FANTOCCIO AD ACQUA
z
A s ta g r a d u a ta
y
x
I dr of ono
Asse z
Fantoccio
adacqua
I d ro f o n o
Suppor to
f is s aggio
s onda
F la n g ia d i
a c c o p p ia m e n to
in M y la r
ANALISI DEGLI IMPULSI
ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA
Impulso
0
1
2
Tempo (us)
ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA
Analisi di fourier dell'impulso
0
5
10
Frequenza (MHz)
15
20
RICERCA DEL PICCO SPAZIALE
ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA (tutti i fuochi)
Ricerca della pspp
1,2E+06
1,0E+06
8,0E+05
6,0E+05
4,0E+05
2,0E+05
0,0E+00
Pressione acustica pp
(Pa)
Pressione acustica pp (Pa)
ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA (fuoco a 2 cm)
Ricerca della pspp
0
1
2
3
4
5
6
7
1,6E+06
1,4E+06
1,2E+06
1,0E+06
8,0E+05
6,0E+05
4,0E+05
2,0E+05
0,0E+00
0
2
Profondità (cm)
6
8
10
Profondità (cm)
ATL Hdi 3000 - SONDA CONVESSA (fuoco a 3,5 cm)
Ricerca della pspp
Pressione acustica pp
(Pa)
4
Il fuoco a profondità intermedia
1,5E+06
è quello che genera i valori più
1,0E+06
alti della pressione acustica di
5,0E+05
picco mediata sulla durata
0,0E+00
0
2
4
6
Profondità (cm)
8
10
12
dell’impulso
12
14
ANDAMENTO CON L’INDICE
MECCANICO (MI)
MI 
pr
pr = pressione massima negativa di picco spaziale
f = frequenza portante dell’impulso
f
ATL Hdi 3000 - SONDA LINEARE (fuoco a 3,6 cm)
Andamento della pspp e della pr in funzione dell'indice meccanico
SIEMENS ANTARES - SONDA LINEARE (fuoco a 2 cm)
Andamento della pspp e della pr in funzione dell'indice
meccanico
3,5E+06
4,0E+06
3,0E+06
Pressione (Pa)
3,5E+06
3,0E+06
Pressione efficace
mediata sull'impulso
Pressione massima
negativa
2,5E+06
2,0E+06
1,5E+06
1,0E+06
5,0E+05
Pressione acustica pp (Pa)
4,5E+06
2,5E+06
Pressione efficace mediata
sull'impulso
2,0E+06
1,5E+06
Pressione massima
negativa
1,0E+06
5,0E+05
0,0E+00
0,0E+00
0
0,5
1
1,5
Indice meccanico
2
0
0,5
1
Indice meccanico
1,5