L’ecotomografo produce immagini di sezioni del corpo umano attraverso l’impiego di emissioni di energia ultrasonora. Il principio di funzionamento si basa sul fatto che l’onda ultrasonora, trasmessa attraverso i tessuti, viene parzialmente riflessa dalle strutture incontrate durante il percorso, dando luogo alla generazione di echi. L’intensità dell’onda riflessa è legata alla variazione d’impedenza acustica che si verifica in corrispondenza delle disomogeneità dei tessuti che compongono i vari organi. Per la generazione dell’energia ultrasonora, e per la successiva ricezione degli echi, si impiega un trasduttore composto da uno o più elementi piezoelettrici, posti a contatto con la pelle mediante l’interposizione di un gel, avente la funzione di accoppiatore acustico.

I primi tentativi per l’utilizzo degli ultrasuoni a scopo diagnostico risalgono agli anni ‘50. Nel 1955 furono sfruttate le proprietà piezoelettriche in alcuni materiali cristallini che risultavano idonei all’utilizzo come trasduttori. Questi materiali, se sollecitati con opportune differenze di potenziale elettrico, subiscono deformazioni elastiche che provocano delle vibrazioni: esse possono propagarsi nel mezzo circostante sotto forma di onde ultrasonore.

L’ecotomografo genera le onde ultrasonore ed esegue successivamente una misura dell’intensità degli echi ricevuti, del tempo trascorso dall’emissione e della direzione di provenienza degli echi.

Combinando tali informazioni, l’ecotomografo è in grado di generare un’immagine e renderla disponibile per la presentazione su un monitor televisivo. Le frequenze ultrasonore utilizzate dipendono dalle caratteristiche costruttive del trasduttore impiegato e sono funzione delle specifiche applicazioni diagnostiche: esse sono generalmente comprese nell’intervallo: 2¸20 MHz.

Trasduttori di frequenza elevata, producendo impulsi aventi lunghezza d’onda e durata inferiori, consentono di ottenere una maggiore risoluzione e immagini di qualità superiore.

Alle frequenze più elevate, tuttavia, il fenomeno dell’assorbimento di energia ultrasonora da parte dei tessuti è maggiormente accentuato: ciò riduce notevolmente la capacità di penetrazione del fascio di ultrasuoni.

L’ecotomografo è dotato di un apparato di compensazione (detto TGC, ossia Time Gain Compensation) che consente di amplificare in modo differenziato gli echi a seconda della profondità delle strutture che li producono. Il segnale amplificato e demodulato viene inviato a un convertitore analogico-digitale (Scan Converter) e archiviato nella memoria digitale del sistema. Se si esegue la conversione secondo un’opportuna legge non lineare, si è in grado di ottenere un processo di pre-elaborazione del segnale in quanto si riesce a espandere la scala dei grigi in corrispondenza di determinate fasce di ampiezza, cioè proprio in corrispondenza delle zone in cui il contenuto informativo del segnale risulta essere maggiore.

I dati numerici, ritrasformati in forma analogica attraverso un convertitore digitale-analogico, vanno infine a formare il segnale video composito che è utilizzabile dai normali monitor televisivi. Le modalità di presentazione dell’informazione fornita dagli echi ultrasonori possono essere differenti. Esse possono essere classificate in modo generale con il seguente elenco:

• A-mode;

• B-mode Real Time

• M-mode

• Doppler (PW e CW)

• Color Doppler

A-Mode

L’A-mode (Amplitude modulated mode) consiste nella presentazione degli echi sotto forma di un grafico in cui sono rappresentati dei picchi. L’ampiezza dei picchi è proporzionale all’intensità dei picchi stessi. Questa modalità è utilizzata solamente in applicazioni molto specifiche.

B-Mode Real Time

Nel B-mode (Brightness modulated mode) gli echi sono rappresentati sotto forma di punti aventi luminosità proporzionale all’intensità dell’eco stesso. La tecnica è impiegata per la produzione di immagini bidimensionali dinamiche (Real Time) di strutture anatomiche.

M-Mode

L’M-mode (Motion mode) è un metodo particolare di utilizzo del B-mode: gli echi sono acquisiti lungo una singola linea di scansione. Viene generato un grafico monodimensionale in cui sono rappresentate le posizioni assunte nel tempo da strutture in movimento. L’M-mode è tipicamente usato in ecotomografia cardiologica.

Doppler

Gli ecotomografi con modalità Doppler sfruttano l’effetto Doppler per determinare la direzione e la velocità del flusso sanguigno: gli echi vengono analizzati sulla base della variazione apportata alla frequenza degli echi dal movimento del sangue rispetto al trasduttore ricevente.

Color Doppler

Il Color Doppler o Color Flow Mapping (CFM) consente una stima dell’informazione ottenuta mediante spettrometria Doppler attraverso la sovrapposizione a immagini bidimensionali (B-mode).

Questa tecnica è presente nei sistemi che utilizzano lo stesso trasduttore per entrambe le metodiche di acquisizione. Eseguendo una stima della direzione e della velocità relativa del flusso ematico in corrispondenza a diversi punti lungo varie direzioni del fascio, si ottiene una rappresentazione delle caratteristiche anatomiche del miocardio e dei grandi vasi sanguigni. I diversi colori sovrapposti all’immagine, identificano la direzione e la velocità del flusso sanguigno migliorando l’interpretabilità e il valore diagnostico di un doppler bidimensionale tradizionale.

L’informazione può essere spesso completata dalla spettrometria Doppler, da immagini M-mode, da dati statistici e dai dati anagrafici del paziente.

Le Tecniche di Scansione

Il sistema di scansione adottato (lineare, settoriale, convex) determina il tipo di presentazione delle immagini ecografiche che possono essere rettangolari, a settore circolare oppure trapezoidali. Le immagini rettangolari vengono ottenute con trasduttori realizzati con una serie di elementi piezoelettrici affiancati e disposti in linea retta (linear array).

Le immagini settoriali possono essere ottenute con trasduttori a movimento meccanico (sector meccanico) oppure con degli array di elementi piezoelettrici (phased array) molto corti e controllati elettronicamente (sector elettronico).

Con una opportuna sequenza dei valori di fase, è possibile effettuare la scansione di un area avente la forma di un settore circolare. I trasduttori a controllo elettronico risultano essere più piccoli e maneggevoli di quelli a movimento meccanico. I trasduttori di tipo settoriale presentano, come caratteristica comune, una superficie di appoggio di ridotte dimensioni che facilita indagini su organi parzialmente schermati dallo scheletro (le cui ossa limitano la propagazione degli ultrasuoni).

A ciò si contrappone l’inconveniente di una scarsa definizione dell’immagine negli strati più superficiali. Alcuni trasduttori per impiego specialistico, utilizzati di solito per indagini endocavitarie, sono realizzati con elementi miniaturizzati rotanti o con array e generano fasci radiali, conici o circolari. La logica di controllo del trasduttore è sensibilmente diversa nel caso in cui la scansione sia realizzata elettronicamente o meccanicamente. Nel primo caso la funzione principale consiste nel selezionare i cristalli dell’array e il ritardo di fase con cui applicare gli impulsi di eccitazione. Nel caso di scansione meccanica (oscillazione o rotazione del cristallo), la logica di controllo provvede a codificare la posizione angolare del trasduttore. Ciò consente di controllarne con accuratezza la velocità e di garantire un perfetto sincronismo fra trasmissione, ricezione e scrittura dei dati in memoria.

Una tecnica di scansione che, almeno in parte, accomuna i vantaggi dei sistemi lineari e settoriali (ossia l’elevata definizione superficiale e la possibilità di utilizzo di finestre acustiche) è rappresentata dall’impiego di array convessi (convex), composti da un array di elementi piezoelettrici disposti lungo un arco di circonferenza. Le immagini generate in tal caso hanno forma approssimativamente trapezoidale.

Piuttosto diffusi sono i calcoli di distanze, angoli, aree, volumi e le misure dei parametri specifici delle singole specialità in cui l’ecotomografia trova utili applicazioni. Inoltre, spesso è possibile registrare contemporaneamente segnali di diversa natura come l’elettrocardiogramma, il fonocardiogramma o altri esami e correlarli con le varie immagini cardiache.

In generale, si può concludere, osservando che le tecniche diagnostiche basate sugli ultrasuoni sono diffusamente applicate in campo ostetrico/ginecologico, in oftalmologia, in neurologia e nel vasto campo cardiovascolare.