Introduzione

1. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Gli ultrasuoni nella diagnostica medicaTESINA di Sulpizio Sara(M164736)CLS BIOTECNOLOGIE MEDICHECorso di FISICA IMAGING MOLECOLARE(Prof. Alecci)

2. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Gli ultrasuoni nella diagnostica medicaTESINA di Sulpizio Sara(M164736)CLS BIOTECNOLOGIE MEDICHECorso di FISICA IMAGING MOLECOLARE(Prof. Alecci)

3. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Introduzione • L’uso degli ultrasuoni in medicina a scopo diagnostico risale al 1949 con la prima scansione ad opera dell’austriaco Karl Dussik. • Stime del 2003 rivelano che il 25% delle immagini per uso diagnostico sono realizzate mediante ecografia. • L’ecografia è divenuta negli anni parte indispensabile dell’iter diagnostico delle patologie dei tessuti molli.

4. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Principi Fisici di Base Gli ultrasuoni sono onde elastiche e sonore con frequenza > 16-20 kHz che propagandosi in un mezzo producono delle bande di compressione e rarefazione. La tecnica US è resa possibile dalla limitata velocità di propagazione delle onde acustiche nei tessuti molli, che consente di misurare i tempi di propagazione. La velocità di propagazione degli US è data da: Nei tessuti biologici è circa 1540 m/s eccetto l’osso la cui ν = 4000 m/s L’impedenza acustica è la proprietà che ci permette di distinguere i diversi tessuti.

5. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Principi Fisici di Base Propagazione US all’interfaccia • Onda Incidente • Onda Diffusa o Scattering • Onda Trasmessa o Rifratta • Onda Riflessa a

6. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Principi Fisici di Base tessuto Attenuazione • L’intensità di un fascio ultrasonoro decresce progressivamente nel progredire dello stesso all’interno dei tessuti. • Nella progressione degli US nel mezzo l’energia assorbita dai tessuti attraversati viene convertita in calore.

7. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Descrizione dell’Apparato + - + - + - + - + - + - + - + - + - m + + + + + + + + Le onde ultrasonore sono generate sfruttando il fenomeno di piezoelettricità, caratteristico di materiali a struttura cristallina es: • Quarzo; • Ceramiche policristalline (PZT, titanato di piombo, zirconio); • Polimeri (PVDF). ------------ • Sonda Trasmette impulsi e riceve echi.

8. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Descrizione dell’Apparato • Sistema elettronico • Scan converter • Sistema di visualizzazione

9. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Sistemi a scansione • A Mode • B Mode • M mode • Doppler • Harmonic Imaging • 3D { CW Doppler PW Doppler Eco-color Doppler Power Doppler

10. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE A Mode o rappresentazione distanziometrica Intensità dell’eco tempo rumore Si fonda sulla conoscenza a priori dell’anatomia delle strutture che giacciono sul percorso degli US e serve a: • Determinare la distanza tra sonda e superficie dell’eco • Distinguere i tessuti

11. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE B Mode: sistema a posizionamento temporale Immagine costituita da un insieme di linee e punti luminosi, definita rappresentazione B-dimensionale o B-mode. Il risultato finale è la visualizzazione, in “scala dei grigi”, di una sezione dell’organo in esame. lesione iperecogena cisti epatica semplice

12. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE M mode Il formato M-mode non è altro che un B-mode ripetuto ad intervalli di tempo sufficientemente brevi per riprodurre il movimento dell’interfaccia Ivus Aorta

13. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Doppler: definizione L'effetto Doppler è usato in medicina per la rilevazione della velocità del flusso sanguigno. Un trasmettitore orientato opportunamente genera US che vengono poi riflessi con una nuova frequenza, a seconda della velocità vettoriale delle particelle sanguigne, rilevata e rielaborata matematicamente si ottiene la misura di velocità del flusso sanguigno.

14. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Doppler: approccio matematico • Se il corpo riflettente è in movimento con velocità ν la cui direzione forma un angolo θ rispetto alla direzione di propagazione dell’onda, la frequenza riflessa dalla particella ( ƒr) sarà diversa da quella emessa (ƒe). • Nell’ipotesi che la velocità v della particella sia molto inferiore rispetto alla celerità C di propagazione dell’onda, si dimostra che è valida la seguente relazione: • dove ƒd prende il nome di Doppler Shift (Frequenza Doppler), è misurabile ed è proporzionale alla velocità.

15. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Doppler CW ad onda continua Trasmettitore e ricevitore sono due trasduttori fisicamente separati ed entrambi lavorano con continuità. • Se l’oggetto riflettente è fermo la ƒr = ƒe; • se l’oggetto è in movimento verso il trasduttore la ƒr > ƒe; • se l ’oggetto è in allontanamento dal trasduttore la ƒr < ƒe • Distingue le velocità delle particelle; • Non si distingue la localizzazione delle particelle nello spazio.

16. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Doppler PW ad onda pulsata Unico trasduttore che emette un burst ultrasonoro di breve durata e si pone in attesa dell’eco. Dopo un certo intervallo di tempo il trasduttore emette un nuovo burst, e così via. Il segnale di ritorno contiene tre informazioni: • Localizzazione dell’oggetto riflettente • Natura dell’oggetto riflettente‏ • Velocità dell’oggetto riflettente‏‏

17. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Eco-Color Doppler All’immagine M-Mode è sovrapposta una mappatura in scala cromatica delle velocità medie presenti in ciascun frame, in cui il colore rappresenta la direzione del flusso e la velocità. Soddisfa la necessità di avere contemporaneamente informazioni fra spettro di velocità e volumi campione. Utilizzata per: • Identificazione delle placche ipo/anecogene • Stenosi • Identificazione dell'irregolarità di decorso • Occlusioni trombotiche

18. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Power Doppler Il segnale è determinato dalla densità delle cellule ematiche in movimento. Alta sensibilità e definizione della distribuzione della vascolarizzazione . Non dipende dalla velocità del flusso Poco attendibile sulla direzione del flusso Non dipende dall'angolo di incidenza Power doppler di carotide interna

19. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Harmonic Imaging • Dopo aver inviato il segnale ad una data frequenza (ƒ0 ), settando lo strumento in ricezione in una banda centrata su una frequenza doppia (2ƒ0 ), ed eliminando le armoniche spurie, si ottimizza il risultato diagnostico diminuendo gli artefatti in pazienti ecograficamente difficili es. Obesi. • Aumenta la risoluzione spaziale in profondità • Si utilizzano mezzi di contrasto

20. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Mezzi di contrasto (MdC)‏ I mezzi di contrasto sono sostanze che aumentano le informazioni contenute in una immagine prodotta da strumenti di diagnostica medica. Alterano il contrasto di un organo, di una lesione o di qualsiasi altra struttura rispetto a ciò che la circonda, in modo da rendere visibili dettagli che altrimenti risulterebbero non apprezzabili.

21. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Mezzi di contrasto (MdC)‏ I mezzi di contrasto ultrasonografici sono soluzioni contenenti micro-bolle di aria o gas capaci di riflettere con efficienza i fasci di ultrasuoni utilizzati durante l'esame ecotomografico. Prima generazione sono microsfere nude, estremamente instabili; Seconda generazione incapsulate con shell di albumina o di galattosio; Terza generazione ottenute aumentando la rigidità della shell oppure utilizzando gas di scarsissima diffusività nei liquidi; aumentando l’emivita.

22. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE 3D Maggiore risoluzione spaziale Ridotta dipendenza operatore Matching Nuova tecnologia ancora in evoluzione. • Acquisizione di una serie di singole slide di volume e orientamento diversi con sistemi a motore o a mano libera. • Ricostruzione volumetrica e multiplanare unendo informazioni di tutte le slides • Visualizzazione dell’oggetto in 3D

23. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Applicazioni nella diagnostica medica L’ecografia è parte irrinunciabile dell’iter diagnostico delle patologie dei tessuti molli.La diagnostica ultrasonica viene applicata : • allo studio del cuore e dei vari segmenti dell’albero vascolare, • dei parenchimi e organi addominali; • nell’esame di patologie del torace, • dell’apparato locomotore, • dell’occhio, • delle ghiandole…

24. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Applicazioni nella diagnostica medica L’ecografia è ormai diventato un esame di routine fondamentale in diversi campi: internistico, chirurgico, ginecologico, endocrinologico, urologico, ostetrico, ortopedico... L’ecografia viene utilizzata come guida per manovre di tipointerventistico: biopsie, drenaggi di ascessi, posizionamento di cateteri, inseminazione artificiale...

25. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecocardiografia Metodica ultrasonora che studia il movimento del sangue dentro il cuore ed i vasi, permette di avere informazioni • di tipo emodinamico e funzionale; • una malattia cardiaca in tutti i suoi aspetti, anatomici ed emodinamici; • sulla sua contrattilità, sulla morfologia delle valvole cardiache; • nello sport malattie cardiache sconosciute ed asintomatiche.

26. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecocardiografia L'esecuzione dell'ecocardiografia transesofagea, cioè per via endoscopica, permette di svelare alcune forme patologiche, come • vizi valvolari complessi, • malformazioni congenite, • di patologie a carico dall'aorta toracica, • di fonti emboligene di origine cardiaca.

27. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Elastografia L’elastografia è una metodica che consente di fornire informazioni, soprattutto sui noduli della mammella o fegato: esercitando una certa pressione sulla cute per misurare la comprimibilità dei noduli.

28. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecografia Articolare • L'ecografia è molto utile per rilevare la presenza di corpi estranei radiotrasparenti. Un corpo estraneo fatto di legno, acciaio, pietra, vetro, ghiaia e plastica genera normalmente un'ombra acustica e/o un fenomeno di riverberazione. • L’uso dell’ecografia ha aumentato la conoscenza sulle affezioni articolari e la capacità di identificare delle lesioni non rilevabili prima.

29. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE L'ecografia in ostetricia Con l'ecografia è possibile osservare in modo dettagliato il feto: • la colonna vertebrale, • la vescica, • i reni, • lo stomaco, • le strutture intracraniche, • il cuore del feto, • morfologia, • movimenti, • nei comportamenti per determinare l'epoca della gravidanza, • la posizione del feto

30. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE L'ecografia in ginecologia In campo ginecologico l'esame ecografico rappresenta un valido complemento all'esame clinico. L'ecografia pelvica consente uno studio accurato degli organi pelvici e ci permette di: • identificare con precisione un organo; • visualizzare e localizzare una massa; • determinare la grandezza della massa; • differenziare la massa; • relazione con gli organi contigui; • indici di malignità. cisti endometriosica

31. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecografia Del Collo Permette lo studio: • della ghiandola tiroidea, • delle ghiandole salivari, • delle stazioni linfonodali, • delle paratiroidi.

32. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecografia di Fegato e Vie Biliari Lo studio ecografico del fegato permette di differenziare un fegato sano da uno affetto: • da malattie croniche, • tumori benigni o maligni, • cisti, • ascessi epatici… L'utilizzo della colecistografia per la diagnosi dei calcoli della cistifellea.

33. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecografia Pancreas e Milza L'ecografia è utile nello studio di pancreatiti L'ecografia della milza serve a diagnosticare: • ascessi, • infezioni, • cisti, • tumori, • trauma addominale.

34. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecografia reni • Cisti renali • tumori renali

35. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecografia oculare • L'ecografia oculare è di massima utilità quando vi sono opacità dei mezzi: cataratta avanzata, emorragia interna. • In casi selezionati, può costituire una valida alternativa alla TAC ed alla NMR. • Possono essere eseguite ecografie con tecnica a contatto e ad immersione, per misurazioni biometriche.

36. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Ecografia oculare L'ecografia orbitaria permette di studiare • la ghiandola lacrimale, • i muscoli oculomotori, • il nervo ottico … Perfino in presenza di mezzi trasparenti, per la diagnosi differenziale e la valutazione delle dimensioni dei tumori intraoculari.

37. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Conclusioni: vantaggi dell’ecografia • US sono i più sicuri fra i metodi che usano radiazioni ionizzanti; • Forniscono informazioni complementari ad altre tecniche diagnostiche • Diagnostica patologie dei tessuti molli; • Permette la produzione di sezioni trasversali del corpo; • Ottima risoluzione temporale. • E' una indagine indolore; • Pressoché assente invasività; • Facilità di esecuzione; • Multiplanarietà; • Brevità; • Ripetibilità dell’indagine; • Basso costo; • Poco disagio per il paziente, buona compliance;

38. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Conclusioni : svantaggi dell’ecografia • Nessuna rappresentazione dell’osso; • È una metodica fortemente operatore-dipendente; • Pazienti sottoposti per molto tempo a terapia con US possono manifestare alterazioni a carico SN, gonadi , occhi, muscoli, demineralizzazione osso in modo transitorio. • Vi è evidenza di effetti dannosi a intensità superiore a 100 mW/cm2; • Sono più dannosi US a fasci continui es CW doppler; • È buona norma evitare esposizioni non necessarie e minimizzare i tempi di scansione.

39. TESINA FISICA IMAGING MOLECOLARE Bibliografia essenziale • Dewey , Ultrasuoni nella diagnostica medica , Le Scienze , n. 119, pg.56 (1978) • P.N.T Wells, “ultrasound imaging “ Phys. Med. Biol. 51 (2006) R83–R98 • G. Valli, G. Coppini, “Bioimmagini”. Patron Editore, Bologna, 2002; • S Dandekar, Y Li, J Molloy and J Hossack “A phantom with reduced complexity for spatial 3D ultrasound calibration” Ultrasound Med. Biol., 31 1083–93, 2005 • NCRP report n°74 “biological effect of us: mechabism and clinical implication” • Borsa, Gulmanelli, Scannicchio “ fisica biomedica”, Pavese, 1983 • A.B. Wolbarst, “Physics of Radiology”, Prentice Hall, 1993; • C. Nicolini, A. Rigo, “Biofisica e Tecnologie Biomediche”, Zanichelli, 1994; • http://www.oftalmobari.com/ecografia.htm • http://www.villabetania.org/Ecografia.htm • http://www.arienti-v.com/formazione/medinterna/Ecografia_torace.pdf • http://www.aifmcaldirola.net/2004_Ultrasuoni/ • http://www.eng.cam.ac.uk • http://www.unit.no