Elementi di Fisica degli Ultrasuoni , Effetto Doppler, apparecchiature Doppler

1. Elementi di Fisica degli Ultrasuoni, Effetto Doppler, apparecchiature Doppler Spedali Civili di Brescia Università degli Studi di Brescia 12 Novembre 2010 La Neurosonologia nell’ambito delle Neuroscienze Fagoni Nazzareno SSDV Neuroanestesia e Neurorianimazione

2. La Storia Emissione di ultrasuoni e successiva rilevazione di echi Lazzaro Spallanzani 1794 Pipistrelli e Cetacei Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

3. La Storia Applicazioni militari degli ultrasuoni Il SONAR SOundNavigationAnd Ranging Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

4. La Storia Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia Ultrasuoni: utilizzati nella Diagnostica per Immagini dagli anni ’50 Inizialmente utilizzati per scopi terapeutici, sfruttando il loro effetto termico e distruttivo Frequenza nelle applicazioni diagnostiche si utilizzano US con frequenze tra 1 MHz e 20 MHz

5. Gli Ultrasuoni Suono: fenomeno ondulatorio Forma di energia che si propaga per onde Un’onda è un’oscillazione caratterizzata da Lunghezza ampiezza frequenza Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

6. Gli Ultrasuoni Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia Onde sonore ad altissima frequenza Percezione orecchio umano 20-20.000 Hz Ultrasuoni >20.000 Hz Infrasuoni <20 Hz Molti animali possono udire suoni con frequenza fino a 100.000 Hz Frequenza voce maschile 100 Hz e femminile 200 Hz Frequenza nota «LA» del diapason 440 Hz

7. Principi di Funzionamento Sonda formata da cristalli piezolettrici: vibrano quando sottoposti a tensione elettrica (fratelli Pierre e Jacques Curie - 1880) I cristalli posti in un campo elettrico si deformano per l’orientamento delle cariche delle molecole a 90°. Cessata la tensione elettrica i cristalli riprendono rapidamente la forma iniziale Questo repentino ritorno elastico fa entrare in risonanza i cristalli, determinando una piccola serie di vibrazioni che generano gli ultrasuoni Il fenomeno può avvenire in ambedue le direzioni Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

8. Propagazione degli Ultrasuoni La velocità di propagazione dipende dalla densità e dalle proprietà elastiche del mezzo Le onde sonore si propagano meglio e più velocemente nei liquidi che nell’aria L’impedenza è la resistenza opposta dal mezzo al passaggio; l’unità di misura è il Rayl Z = ρ c Z = impedenza acustica ρ = densità (g/cm3) c = velocità del suono nel mezzo Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

9. Propagazione degli Ultrasuoni Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

10. Il Mezzo Attraversato Durante l’attraversamento l’ultrasuono viene progressivamente attenuato per: • Riflessione • Trasmissione • Rifrazione La riflessione avviene con un angolo che sarà equivalente a quello incidente dell’ultrasuono Gli ultrasuoni residui o non riflessi proseguiranno il loro percorso nei tessuti con un’intensità ridotta (trasmissione) e con angolo leggermente modificato (rifrazione) L'attenuazione del fascio ultrasonoro avviene secondo la relazione: 1dB/cm/MHz L’attenuazione aumenta all'aumentare del percorso e all'aumentare della frequenza Quindi più è alta la frequenza più è superficiale il campo di vista e viceversa Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

11. Propagazione delle Onde Sonore OndaIncidente OndaRiflessa OndaTrasmessa e/o Rifratta OndaDiffusa o Scattering Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

12. Ultrasuoni e formazioni degli echi La sonda trasmette “pacchetti” di ultrasuoni (di solito, 2 o 3 cicli) per l’1% del tempo (circa 1-2 milionesimi di secondo); per il restante 99% (100-200 milionesimi di secondo), la sonda resta in ascolto degli echi di ritorno gli echi provenienti da strutture distali saranno meno intensi che vengono amplificati rispetto a quelli più vicini (T.G.C. Time Gain Compensation) nei liquidi e nei tessuti molli in 10-7 di secondo percorrono circa 1,5 cm Gli echi prodotti possono essere visualizzati con diverse modalità. • A-mode (Amplitude mode) • B-mode (Brightness mode) • M-mode o TM-mode (Motion o Time Motion mode) • Doppler Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

13. A - mode L’A-mode (amplitude=ampiezza) è la prima modalità di visualizzazione di un eco (SONAR) E’ la modalità monodimensionale: l’eco è rappresentato con dei picchi L’ampiezza dei picchi è proporzionale all’intensità dell’eco, mentre la profondità è proporzionale alla distanza delle interfacce che hanno generato l’eco Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

14. B - mode Anche nella modalità B (brightness = luminosità) la visualizzazione è monodimensionale gli echi vengono rappresentati in sequenza lungo una linea a seconda della loro distanza dalla sorgente Intensità presentata in scala di grigi: il bianco corrisponde al massimo dell’intensità mentre il nero all’assenza di echi È la modalità di visualizzazione degli echi più utilizzata in ecografia Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

15. M - mode Ivus Aorta Il formato M-mode non è altroche un B-mode ripetuto ad intervalli di tempo sufficientementebrevi per riprodurreilmovimentodell’interfaccia Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

16. Effetto Doppler L’effetto Doppler consiste nella variazione di frequenza di una sorgente sonora in moto rispetto ad un osservatore fermo Christian Johann Doppler (1803-1853) Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

17. Effetto Doppler Se la sorgente sonora si avvicina all’orecchio dell’ascoltatore le onde si infittiscono, divenendo perciò più corte; e se le onde sono corte, la loro frequenza è elevata e il suono risulta acuto Nel caso di un allontanamento della sorgente sonora le onde si distendono, la frequenza è bassa e il tono si manifesta con un timbro più grave Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

18. Il Calcolo della Velocità Doppler shift(variazione di frequenza): un'onda riflessa su un oggetto in movimento cambia la propria frequenza in funzione della velocità dell'oggetto che viene calcolata dal computer La velocità è presentata a monitor a colori (in avvicinamento rosso e in allontanamento blu); l'intensità del colore è legata alla frequenza dell'onda di ritorno Il sistema fornisce anche un segnale udibile virtuale (non è reale) Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

19. Il Calcolo della Velocità ᐃF = V (2F0/C) cos Θ F0 = Frequenza onda incidente C = Velocità di propagazione del suono V = Velocità di bersaglio Θ = Angolo di incidenza del fascio ultrasonoro con il bersaglio Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

20. Il Calcolo della Velocità L’equazione doppler è derivata dalla condizione ideale in cui un singolo oggetto si muove. Se molti oggetti (eritrociti) si muovono a velocità diverse si ottiene uno spettro di velocità Tanto più piccolo è l’angolo di incidenza tanto migliore è la misurazione della velocità <30°=90-100% La corretta velocità di flusso dipende dall’operatore che sceglie l’angolo di insonazione Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

21. Tipologie di Sonde La tecnica velocimetrica si avvale dell’uso di sonde a emissione continua o pulsata di ultrasuoni L’onda riflessa è caratterizzata da un picco sistolico, una frequenza diastolica e una frequenza media che dipendono da: • velocità del flusso ematico • angolo di incidenza del fascio ultrasonoro • valore medio della frequenza di emissione • velocità degli ultrasuoni nei tessuti Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

22. Doppler CW ad Onda Continua Trasmettitoree ricevitoresono due trasduttorifisicamenteseparati. Le informazioni Doppler vengono ricevute continuamente da tutto il campo di messa a fuoco della sonda La profondità di insonazione dipende dal campo di messa a fuoco e dalla geometria del trasduttore Utile per studiarevasiextracranici e periferici Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

23. Doppler PW ad Onda Pulsata Unicotrasduttorecheemette un burst ultrasonoro di breveduratae attendel’eco. Il Doppler riceveinformazioni solo da un campione di volume allaprofonditàselezionata E’ indispensabile avere un’esatta conoscenza della localizzazione del vaso‏‏ Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

24. Il Doppler Transcranico Il Doppler transcranico è una procedura diagnostica non invasiva di recente introduzione (ideata e descritta nel 1982 da Aaslid) Si avvale dell’uso di sonde pulsate a bassa frequenza (1-2 MHz) e ad alta energia … Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

25. Il Doppler Transcranico NON INVASIVO RIPETIBILE FLUSSO IN TEMPO REALE DATI NUMERICI CONFRONTABILI NEL TEMPO OPERATORE DIPENDENTE POCO COSTOSO Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

26. Elementi di Fisica degli Ultrasuoni, Effetto Doppler, apparecchiature Doppler Spedali Civili di Brescia Università degli Studi di Brescia Grazie per l’Attenzione 12 Novembre 2010 La Neurosonologia nell’ambito delle Neuroscienze Fagoni Nazzareno SSDV Neuroanestesia e Neurorianimazione

27. Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

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29. Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

30. Grazie per l’Attenzione Nazzareno Fagoni – SSVD Neuroanestesia e Neurorianimazione – Spedali Civili di Brescia

31. l’impulso elettrico viene trasformato in deformazione/vibrazione (energia meccanica); se il cristallo viene investito da ultrasuoni entra in risonanza e, quindi, la deformazione/vibrazione che ne consegue causa una perturbazione nel suo campo elettro-magnetico generando una piccola corrente elettrica.

32. Nella tecnica doppler a ultrasuoni un emettitore invia periodicamente un breve impulso ultrasonico e un ricevitore raccoglie continuamente l’eco che ritorna da particelle presenti nel fluido lungo il percorso del raggio ultrasonico. Campionando l’eco che ritorna allo stesso istante dell’emissione dell’impulso, si può misurare la deriva delle posizioni di rifrazione. Grazie ad avanzate tecniche DSP di elaborazione digitale del segnale, si calcola il grado di correlazione tra le diverse emissioni per estrarre il valore di velocità. Il vantaggio di questa tecnica è la sua capacità di fornire informazioni spaziali associate ai valori di velocità.

33. Quando avviene il fenomeno della riflessione? La risposta, a prima vista ovvia, è che la riflessione dell'onda sonora avviene quando essa incontra un ostacolo. Tale affermazione è troppo semplicistica per due ordini di motivi: •la presenza di un ostacolo non è di per sé condizione sufficiente a garantire la presenza di un apprezzabile fenomeno di riflessione sonora. ruolo fondamentale la dimensione relativa dell'ostacolo rispetto alla lunghezza d'onda dell'onda sonora: il fenomeno della riflessione è significativo solo se la dimensione dell'ostacolo è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda sonora che incide su di esso. Nella progettazione di ambienti aventi determinate caratteristiche acustiche è della massima importanza tener conto del fenomeno della riflessione (anche multipla) che il suono subisce a causa della presenza delle pareti. L'onda riflessa può originarsi anche in presenza di variazioni delle caratteristiche fisiche del mezzo di propagazione dell'onda (riassunte nel concetto di impedenza) senza che vi sia necessariamente la presenza di un ostacolo, normalmente inteso.

34. Il fascio ultrasonoro, qualche diapositiva fa, lo abbiamo descritto come un “pennello”. In effetti, i peli di questo pennello tendono ad allargarsi poco dopo essere fuoriusciti dalla sonda. Essi restano paralleli fra loro solo per un breve tratto: il fascio resta coerente (cioè, con diametro pari a quello del cristallo) fino ad una distanza che è proporzionale al diametro del cristallo. Il tratto nel quale il fascio è coerente viene detto “zona di Fresnel”; quello successivo, “zona di Fraunhofher”. Il punto di passaggio tra le due zone rappresenta la zona focale del fascio ultrasonoro. La focalizzazione, nelle vecchie sonde di tipo meccanico, era fissa. Nelle moderne sonde elettroniche, la presenza di “lenti acustiche” permette di ottenere più di un punto di focalizzazione a profondità variabili.

35. Consideriamo essenzialmente un generatore (trasmettitore) di onde, un mezzo in cui le onde si propagano, ed un ricevitore. Il sistema trasmettitore-mezzo-ricevitore è riferito ad un sistema di riferimento inerziale    rispetto al quale il mezzo sarà considerato in quiete, mentre trasmettitore e ricevitore sono in moto relativo immaginiamo che il generatore emetta con continuità ad intervalli regolari di tempo    brevissimi (infinitesimi) impulsi di onde. In questo modo è come se considerassimo una sola cresta di onda avanzare nel mezzo e possiamo così facilmente descrivere la cinematica di questi impulsi. l'effetto Doppler è utilizzato in molte applicazioni: In medicina: per la rilevazione della velocità del flusso sanguigno. Tale principio infatti è sfruttato dai Flussimetri Eco-Doppler (ADV, ovvero Acoustic Doppler Velocimeter), nei quali una sorgente di onde sonore, generalmente ultrasuoni, viene orientata opportunamente. Queste onde acustiche vengono poi riflesse con una nuova frequenza, a seconda della velocità vettoriale delle particelle sanguigne, rilevata e rielaborata in modo da ottenere tale misura di velocità.