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Fisica degli ultrasuoni

Daquan Xu

INTRODUZIONE

L'applicazione a ultrasuoni consente la visualizzazione non invasiva delle strutture tissutali. Le immagini ecografiche in tempo reale sono immagini integrate risultanti dal riflesso delle superfici degli organi e dalla dispersione all'interno di tessuti eterogenei. La scansione a ultrasuoni è una procedura interattiva che coinvolge l'operatore, il paziente e gli strumenti a ultrasuoni. Sebbene la fisica alla base della generazione, propagazione, rilevamento e trasformazione degli ultrasuoni in informazioni pratiche sia piuttosto complessa, la sua applicazione clinica è molto più semplice. Poiché l'ecografia è migliorata enormemente nell'ultimo decennio, può fornire agli anestesisti l'opportunità di visualizzare direttamente il nervo bersaglio e le strutture anatomiche rilevanti. Un blocco nervoso ecoguidato è un'area di crescita critica per le nuove applicazioni della tecnologia a ultrasuoni ed è diventato una parte essenziale dell'anestesia regionale. La comprensione della fisica di base degli ultrasuoni presentata in questa sezione sarà utile per gli anestesisti per selezionare in modo appropriato il trasduttore, impostare il sistema ecografico e quindi ottenere immagini soddisfacenti.

STORIA DEGLI ULTRASUONI

Nel 1880, i fisici francesi Pierre Curie e suo fratello maggiore, Paul-Jacques Curie, scoprirono l'effetto piezoelettrico in alcuni cristalli. Paul Langevin, allievo di Pierre Curie, ha sviluppato materiali piezoelettrici, in grado di generare e ricevere vibrazioni meccaniche ad alta frequenza (quindi ultrasuono). Durante la prima guerra mondiale, gli ultrasuoni furono introdotti nella marina come mezzo per rilevare i sottomarini nemici. In campo medico, invece, gli ultrasuoni sono stati inizialmente utilizzati per scopi terapeutici piuttosto che diagnostici. Alla fine degli anni '1920, Paul Langevin scoprì che gli ultrasuoni ad alta potenza potevano generare calore nelle ossa e distruggere i tessuti animali. Di conseguenza, durante i primi anni '1950 l'ecografia è stata utilizzata per il trattamento di pazienti con malattia di Ménière, morbo di Parkinson e artrite reumatica. Le applicazioni diagnostiche degli ultrasuoni sono iniziate grazie alla collaborazione di medici e ingegneri del sonar (navigazione sonora). Nel 1942, Karl Dussik, un neuropsichiatra, e suo fratello, Friederich Dussik, un fisico, descrissero gli ultrasuoni come uno strumento diagnostico medico per visualizzare i tessuti neoplastici nel cervello e nei ventricoli cerebrali. Tuttavia, le limitazioni della strumentazione ad ultrasuoni all'epoca impedirono l'ulteriore sviluppo di applicazioni cliniche fino alla metà degli anni '1960. Il B-scanner in tempo reale è stato sviluppato nel 1965 ed è stato introdotto per la prima volta in ostetricia. Nel 1976 furono disponibili in commercio le prime macchine ad ultrasuoni accoppiate con misurazioni Doppler. Per quanto riguarda l'anestesia regionale, già nel 1978, La Grange ei suoi colleghi furono i primi anestesisti a pubblicare una serie di casi clinici sull'applicazione degli ultrasuoni per il blocco dei nervi periferici. Hanno semplicemente utilizzato un trasduttore Doppler per localizzare l'arteria succlavia ed eseguito il blocco del plesso brachiale sopraclavicolare in 61 pazienti (Figure 1A e 1B). Secondo quanto riferito, la guida Doppler ha portato a un alto tasso di successo del blocco (98%) e all'assenza di complicanze come pneumotorace, paralisi del nervo frenico, ematoma, convulsioni, blocco del nervo laringeo ricorrente e anestesia spinale. Nel 1989, Ting e Sivagnanaratnam hanno riportato l'uso dell'ecografia B-mode per dimostrare l'anatomia dell'ascella e per osservare la diffusione degli anestetici locali durante il blocco del plesso brachiale ascellare.

Immagine 1. R: Applicazione precoce dell'ecografia Doppler di LaGrange per eseguire un blocco brachiale sopraclavicolare. B: Relazione del plesso brachiale dei nervi e dell'arteria succlavia.

Nel 1994, Stephan Kapral e colleghi hanno esplorato sistematicamente il plesso brachiale con l'ecografia B-mode. Da allora, più team in tutto il mondo hanno lavorato instancabilmente per definire e migliorare l'applicazione dell'imaging a ultrasuoni nell'anestesia regionale. Il blocco nervoso ecoguidato è attualmente utilizzato di routine nella pratica dell'anestesia regionale in molti centri in tutto il mondo.

Ecco un riepilogo dei fatti rapidi degli ultrasuoni:

  • 1880: Pierre e Jacques Curie scoprono l'effetto piezoelettrico nei cristalli.
  • 1915: gli ultrasuoni vengono utilizzati dalla marina per rilevare i sottomarini.
  • Anni '1920: Paul Langevin scoprì che gli ultrasuoni ad alta potenza possono generare calore nei tessuti ossei e distruggere i tessuti animali.
  • 1942: i fratelli Dussik descrivono l'uso degli ultrasuoni come strumento diagnostico.
  • Anni '1950: l'ecografia è stata utilizzata per il trattamento di pazienti con malattia di Ménière, morbo di Parkinson e artrite reumatica.
  • 1965: viene sviluppato il B-scan in tempo reale, introdotto in ostetricia.
  • 1978: La Grange pubblica la prima serie di casi di applicazione ad ultrasuoni per il posizionamento di aghi per blocchi nervosi.
  • 1989: Ting e Sivagnanaratnam hanno utilizzato l'ecografia per dimostrare l'anatomia dell'ascella e per osservare la diffusione degli anestetici locali durante un blocco ascellare.
  • 1994: Steven Kapral e colleghi hanno esplorato il blocco del plesso brachiale utilizzando l'ecografia B-mode.

Definizione di Ultrasuoni

Il suono viaggia come un'onda meccanica longitudinale in cui il movimento delle particelle avanti e indietro è parallelo alla direzione del viaggio dell'onda. Gli ultrasuoni sono suoni ad alta frequenza e si riferiscono a vibrazioni meccaniche superiori a 20 kHz. Le orecchie umane possono sentire suoni con frequenze comprese tra 20 Hz e 20 kHz. Gli elefanti possono generare e rilevare suoni con frequenze inferiori a 20 Hz per comunicazioni a lunga distanza; pipistrelli e delfini producono suoni nella gamma da 20 a 100 kHz per una navigazione precisa (Figure 2A e 2B). Le frequenze degli ultrasuoni comunemente utilizzate per la diagnosi medica sono comprese tra 2 e 15 MHz. Tuttavia, i suoni con frequenze superiori a 100 kHz non si verificano naturalmente; solo i dispositivi sviluppati dall'uomo possono sia generare che rilevare queste frequenze, o ultrasuoni.

Immagine 2. R: Gli elefanti possono generare e rilevare il suono di frequenze inferiori a 20 Hz per comunicazioni a lunga distanza. B: Pipistrelli e delfini producono suoni nella gamma di 20–100 kHz per la navigazione e l'orientamento spaziale.

Effetto piezoelettrico

Le onde ultrasoniche possono essere generate da materiale con effetto piezoelettrico. L'effetto piezoelettrico è un fenomeno esibito dalla generazione di una carica elettrica in risposta a una forza meccanica (compressione o allungamento) applicata su determinati materiali. Al contrario, si può produrre una deformazione meccanica quando a tale materiale viene applicato un campo elettrico, noto anche come effetto piezoelettrico (Figura 3). Sia i materiali naturali che quelli artificiali, inclusi cristalli di quarzo e materiali ceramici, possono dimostrare proprietà piezoelettriche. Recentemente, il titanato di zirconato di piombo è stato utilizzato come materiale piezoelettrico per l'imaging medico. Sono in fase di sviluppo anche materiali piezoelettrici senza piombo. I singoli materiali piezoelettrici producono una piccola quantità di energia. Tuttavia, impilando elementi piezoelettrici in strati in un trasduttore, il trasduttore può convertire l'energia elettrica in oscillazioni meccaniche in modo più efficiente. Queste oscillazioni meccaniche vengono poi convertite in energia elettrica.

Immagine 3. L'effetto piezoelettrico. La deformazione meccanica e la conseguente oscillazione causata da un campo elettrico applicato a determinati materiali possono produrre un suono ad alta frequenza.

Terminologia ad ultrasuoni

Periodo è il tempo in cui un'onda sonora completa un ciclo; l'unità di misura del periodo è il microsecondo (µs). lunghezza d'onda è la lunghezza dello spazio su cui si verifica un ciclo; è uguale alla distanza percorsa dall'inizio alla fine di un ciclo. Frequenza è il numero di cicli ripetuti al secondo e misurati in hertz (Hz). Velocità acustica è la velocità con cui un'onda sonora viaggia attraverso un mezzo. È uguale alla frequenza moltiplicata per la lunghezza d'onda. Velocità c è determinato dalla densità ρ e dalla rigidità κ del mezzo (c = (κ/ρ)1 / 2). Densità è la concentrazione di un mezzo. Rigidezza è la resistenza di un materiale alla compressione. La velocità di propagazione aumenta se si aumenta la rigidità o si diminuisce la densità.

La velocità media di propagazione nei tessuti molli è di 1540 m/s (va da 1400 a 1640 m/s). Tuttavia, gli ultrasuoni non possono penetrare nei tessuti polmonari o ossei. Impedenza acustica z è il grado di difficoltà dimostrato da un'onda sonora trasmessa attraverso un mezzo; è uguale alla densità ρ moltiplicata per la velocità acustica c (z = ρc). Aumenta se si aumenta la velocità di propagazione o la densità del mezzo. Coefficiente di attenuazione è il parametro utilizzato per stimare il decremento dell'ampiezza degli ultrasuoni in determinati mezzi in funzione della frequenza degli ultrasuoni. Il coefficiente di attenuazione aumenta con l'aumentare della frequenza; quindi, una conseguenza pratica dell'attenuazione è che la penetrazione diminuisce all'aumentare della frequenza (Figura 4).

Le onde ultrasoniche hanno un effetto autofocalizzante, che si riferisce al restringimento naturale del raggio ultrasonico a una certa distanza di viaggio nel campo ultrasonico. È un livello di transizione tra near field e campo lontano. La larghezza del raggio al livello di transizione è pari alla metà del diametro del trasduttore. Alla distanza di due volte la lunghezza del campo vicino, la larghezza del raggio raggiunge il diametro del trasduttore. L'effetto autofocus amplifica i segnali degli ultrasuoni aumentando la pressione acustica.

Immagine 4. L'ampiezza degli ultrasuoni diminuisce in alcuni mezzi in funzione della frequenza degli ultrasuoni, un fenomeno noto come coefficiente di attenuazione. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Nell'ecografia, ci sono due aspetti della risoluzione spaziale: assiale e laterale. Risoluzione assiale è la separazione minima dei piani sopra e sotto lungo l'asse del fascio. È determinato dalla lunghezza dell'impulso spaziale, che è uguale al prodotto della lunghezza d'onda per il numero di cicli all'interno di un impulso. Può essere presentato con la seguente formula:

Risoluzione assiale = lunghezza d'onda λ × numero di cicli per impulso n ÷ 2

Il numero di cicli all'interno di un impulso è determinato dalle caratteristiche di smorzamento del trasduttore. Il numero di cicli all'interno di un impulso è generalmente impostato tra 2 e 4 dal produttore delle macchine ad ultrasuoni. Ad esempio, se per eseguire la scansione viene teoricamente utilizzato un trasduttore a ultrasuoni da 2 MHz, la risoluzione assiale sarebbe compresa tra 0.8 e 1.6 mm, rendendo impossibile la visualizzazione di un ago di 21 gauge. Per una velocità acustica costante, gli ultrasuoni a frequenza più alta possono rilevare oggetti più piccoli e fornire un'immagine con una risoluzione migliore. La risoluzione assiale degli attuali sistemi a ultrasuoni è compresa tra 0.05 e 0.5 mm. Figura 5 mostra immagini a diverse risoluzioni quando un oggetto di 0.5 mm di diametro viene visualizzato con tre diverse impostazioni di frequenza.

Immagine 5. La frequenza degli ultrasuoni influisce sulla risoluzione dell'oggetto ripreso. La risoluzione può essere migliorata aumentando la frequenza e riducendo l'ampiezza del raggio mediante la messa a fuoco. (Riprodotto con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Risoluzione laterale è un altro parametro di nitidezza per descrivere la distanza minima affiancata tra due oggetti. È determinato sia dalla frequenza degli ultrasuoni che dall'ampiezza del raggio. Le frequenze più alte hanno una messa a fuoco più ristretta e forniscono una migliore risoluzione assiale e laterale. La risoluzione laterale può anche essere migliorata regolando la messa a fuoco per ridurre l'ampiezza del raggio.

Risoluzione temporale è importante anche per osservare un oggetto in movimento come vasi sanguigni e cuore. Come un film o un cartone animato, l'occhio umano richiede che l'immagine venga aggiornata a una velocità di circa 25 volte al secondo o superiore affinché un'immagine ecografica appaia continua. Tuttavia, la risoluzione dell'immagine sarà compromessa aumentando la frequenza dei fotogrammi. L'ottimizzazione del rapporto tra risoluzione e frame rate è essenziale per fornire la migliore immagine possibile.

INTERAZIONI DEGLI ULTRASUONI CON I TESSUTI

Quando l'onda ultrasonica viaggia attraverso i tessuti, è soggetta a una serie di interazioni. Le caratteristiche più importanti sono le seguenti:

  • Riflessione
  • Scatter
  • Assorbimento

Quando gli ultrasuoni incontrano i confini tra diversi media, parte degli ultrasuoni viene riflessa e l'altra parte viene trasmessa. Le direzioni riflessa e trasmessa sono date rispettivamente dall'angolo di riflessione θr e dall'angolo di trasmissione θt (Figura 6).

Immagine 6. L'interazione delle onde ultrasoniche attraverso i mezzi in cui viaggiano è complessa. Quando gli ultrasuoni incontrano i confini tra diversi media, parte degli ultrasuoni viene riflessa e parte viene trasmessa. Le direzioni riflesse e trasmesse dipendono dai rispettivi angoli di riflessione e trasmissione. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Riflessione delle onde sonore è simile alla riflessione ottica. Parte della sua energia viene rimandata nel mezzo da cui proveniva. In una riflessione vera, l'angolo di riflessione θr deve essere uguale all'angolo di incidenza θi. La forza della riflessione da un'interfaccia è variabile e dipende dalla differenza di impedenze tra due mezzi affini e l'angolo incidente al confine. Se le impedenze del mezzo sono uguali, non c'è riflessione (nessuna eco). Se c'è una differenza significativa tra le impedenze dei media, ci sarà una riflessione quasi completa. Ad esempio, un'interfaccia tra i tessuti molli e il polmone o l'osso comporta un notevole cambiamento nell'impedenza acustica e crea forti echi. Questa intensità di riflessione è anche fortemente dipendente dall'angolo. In termini pratici, significa che il trasduttore a ultrasuoni deve essere posizionato perpendicolarmente al nervo bersaglio per visualizzarlo chiaramente. Viene chiamato un cambiamento nella direzione del suono quando si attraversa il confine tra due media rifrazione. Se la velocità di propagazione attraverso il secondo mezzo è inferiore a quella attraverso il primo mezzo, l'angolo di rifrazione è minore dell'angolo incidente. La rifrazione può causare l'artefatto che si verifica sotto grandi vasi sull'immagine.

Durante la scansione a ultrasuoni, è necessario utilizzare un mezzo di accoppiamento tra il trasduttore e la pelle per spostare l'aria dall'interfaccia trasduttore-pelle. A questo scopo viene applicata una varietà di gel e oli. Inoltre, possono agire come lubrificanti, rendendo possibili prestazioni di scansione fluide. La maggior parte delle interfacce scansionate sono alquanto irregolari e curve. Se le dimensioni del contorno sono significativamente inferiori alla lunghezza d'onda o non lisce, le onde riflesse saranno diffuse.

Scattering è il reindirizzamento del suono in qualsiasi direzione da superfici ruvide o da mezzi eterogenei (Figura 7).

Immagine 7. Lo scattering è il reindirizzamento degli ultrasuoni in qualsiasi direzione causato da superfici ruvide o da mezzi eterogenei. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Normalmente, l'intensità dello scattering è molto inferiore alle intensità di riflessione a specchio ed è relativamente indipendente dalla direzione dell'onda sonora incidente; pertanto, la visualizzazione del nervo bersaglio non è significativamente influenzata da un'altra dispersione vicina.

Assorbimento è definita come la conversione diretta dell'energia sonora in calore. In altre parole, la scansione ad ultrasuoni genera calore nel tessuto. Le frequenze più alte vengono assorbite a una velocità maggiore rispetto alle frequenze più basse. Tuttavia, una frequenza di scansione più elevata fornisce una migliore risoluzione assiale. Se la penetrazione degli ultrasuoni non è sufficiente per visualizzare le strutture di interesse, si seleziona una frequenza più bassa per aumentare la penetrazione. L'uso di lunghezze d'onda più lunghe (frequenza più bassa) si traduce in una risoluzione inferiore perché la risoluzione dell'imaging a ultrasuoni è proporzionale alla lunghezza d'onda dell'onda di imaging. Le frequenze comprese tra 6 e 12 MHz in genere producono una risoluzione adeguata per l'imaging nel blocco nervoso periferico, mentre le frequenze tra 2 e 5 MHz sono solitamente necessarie per l'imaging delle strutture neuroassiali. Le frequenze inferiori a 2 MHz o superiori a 15 MHz vengono utilizzate raramente a causa della risoluzione insufficiente o della profondità di penetrazione insufficiente nella maggior parte delle applicazioni cliniche.

MODALITÀ IMMAGINE ULTRASUONI

Modalità A.

L'A-mode è la più antica tecnica ad ultrasuoni ed è stata inventata nel 1930. Il trasduttore invia un singolo impulso di ultrasuoni nel mezzo. Di conseguenza, viene creata un'immagine ecografica unidimensionale più semplice su cui viene generata una serie di picchi verticali dopo che i fasci di ultrasuoni incontrano il confine del diverso tessuto. La distanza tra le punte echeggiate (Figura 8) può essere calcolato dividendo la velocità degli ultrasuoni nel tessuto (1540 m/s) per la metà del tempo trascorso, ma fornisce poche informazioni sulla relazione spaziale delle strutture visualizzate. Pertanto, l'ecografia in modalità A non è applicabile all'anestesia regionale.

Immagine 8. La modalità A degli ultrasuoni consiste in un'immagine ecografica unidimensionale visualizzata come una serie di picchi verticali corrispondenti alla profondità delle strutture che gli ultrasuoni incontrano nei diversi tessuti. (Riprodotto con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGrawHill, Inc; 2011.)

Modalità B.

La modalità B è un'immagine bidimensionale (2D) dell'area che viene scansionata contemporaneamente da una matrice lineare di 100-300 elementi piezoelettrici anziché uno singolo come in modalità A (Figura 9). L'ampiezza dell'eco da una serie di A-scan viene convertita in punti di diversa luminosità nell'imaging in modalità B. Le direzioni orizzontale e verticale rappresentano le distanze reali nel tessuto, mentre l'intensità della scala di grigi indica la forza dell'eco (Figura 10). La modalità B può fornire un'immagine di una sezione trasversale dell'area di interesse ed è la modalità principale attualmente utilizzata nell'anestesia regionale.

Immagine 9. Il trasduttore B-mode incorpora elementi piezoelettrici numerici collegati elettricamente in parallelo.

Immagine 10. Un esempio di imaging in modalità B. Le direzioni orizzontale e verticale rappresentano distanze e tessuti, mentre l'intensità della scala di grigi indica la forza dell'eco. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Modalità Doppler

L'effetto Doppler si basa sul lavoro del fisico austriaco Johann Christian Doppler. Il termine descrive un cambiamento nella frequenza o lunghezza d'onda di un'onda sonora risultante dal movimento relativo tra la sorgente sonora e il ricevitore del suono. In altre parole, in posizione stazionaria, la frequenza del suono è costante. Se la sorgente sonora si sposta verso il ricevitore sonoro, le onde sonore devono essere schiacciate e si verifica un suono più acuto (spostamento Doppler positivo); se la sorgente sonora si allontana dal ricevitore, le onde sonore devono essere allungate e il suono ricevuto ha un tono più basso (spostamento Doppler negativo) (Figura 11). L'entità dello spostamento Doppler dipende dall'angolo di incidenza tra le direzioni del fascio di ultrasuoni emesso e i riflettori in movimento. Con un angolo di 90° non c'è spostamento Doppler. Se l'angolo è 0° o 180°, è possibile rilevare lo spostamento Doppler maggiore. In ambito medico, gli spostamenti Doppler di solito rientrano nella gamma udibile.

Immagine 11. L'effetto Doppler. Quando una sorgente sonora si allontana dal ricevitore, il suono ricevuto ha un tono più basso e viceversa. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Color Doppler produce una mappa codificata a colori degli spostamenti Doppler sovrapposti a un'immagine ecografica in modalità B. La direzione del flusso sanguigno dipende dal fatto che il movimento sia verso o lontano dal trasduttore. Selezionati per convenzione, i colori rosso e blu forniscono informazioni sulla direzione e la velocità del flusso sanguigno. Secondo la mappa dei colori (barra dei colori) nell'angolo in alto a sinistra della figura (Figura 12), il colore rosso nella parte superiore della barra indica il flusso in arrivo verso la sonda a ultrasuoni e il colore blu nella parte inferiore della barra indica il flusso in uscita dalla sonda.

Figura 12 Color Doppler produce una mappa codificata a colori delle forme Doppler sovrapposte a un'immagine ecografica in modalità B. Selezionati per convenzione, i colori rosso e blu forniscono informazioni sulla direzione e la velocità del flusso sanguigno. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Immagine 13. La modalità Color Doppler viene utilizzata per rilevare la direzione del vaso sanguigno.

Nei blocchi nervosi periferici guidati da ultrasuoni, la modalità color Doppler viene utilizzata per rilevare la presenza e la natura dei vasi sanguigni (arteria vs. vena) nell'area di interesse. Al variare della direzione del fascio di ultrasuoni, il colore del flusso arterioso passa dal blu al rosso, o viceversa, a seconda della convenzione utilizzata (Figure 13, 14A, 14B e 14C). Il Power Doppler è fino a cinque volte più sensibile nel rilevamento del flusso sanguigno rispetto al color Doppler ed è meno dipendente dall'angolo di scansione. Pertanto, il power Doppler può essere utilizzato per identificare i vasi sanguigni più piccoli in modo più affidabile. Lo svantaggio è che il power Doppler non fornisce alcuna informazione sulla direzione e la velocità del flusso sanguigno (Figura 15).

Immagine 14. R: L'arteria carotide mostra un colore rosso quando il sangue scorre verso il trasduttore. B: L'arteria carotide mostra un colore ambiguo con un angolo Doppler di 90°; la forma d'onda uguale può essere vista su entrambi i lati della linea di base. C: L'arteria carotide mostra un colore blu quando il sangue scorre via dal trasduttore.

Immagine 15. Sebbene il power-doppler possa essere utile per identificare i vasi sanguigni più piccoli, lo svantaggio è che non fornisce informazioni sulla direzione e sulla velocità del flusso sanguigno. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

M-Mode

Un singolo raggio in una scansione a ultrasuoni può essere utilizzato per produrre un'immagine con un segnale di movimento, in cui il movimento di una struttura come una valvola cardiaca può essere rappresentato in modo ondulatorio. La modalità M è ampiamente utilizzata nell'imaging cardiaco cardiaco e fetale; tuttavia, il suo attuale utilizzo in anestesia regionale è trascurabile (Figura 16).

Immagine 16. La modalità M consiste in un raggio singolo utilizzato per produrre un'immagine con un segnale di movimento. Il movimento di una struttura può essere rappresentato in una materia ondulatoria. (Riprodotto con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

STRUMENTI A ULTRASUONI

Le macchine a ultrasuoni convertono gli echi ricevuti dal trasduttore in punti visibili, che formano l'immagine anatomica su uno schermo a ultrasuoni. La luminosità di ciascun punto corrisponde alla forza dell'eco, producendo quella che è nota come un'immagine in scala di grigi. In anestesia regionale vengono utilizzati due tipi di trasduttori di scansione: lineare e curvo. Un trasduttore lineare può produrre linee di scansione parallele e un display rettangolare, chiamato scansione lineare, mentre un trasduttore curvo produce una scansione curvilinea e un'immagine a forma di arco (Figure 17A e 17B). Nella scansione clinica, anche uno strato d'aria molto sottile tra il trasduttore e la pelle può riflettere praticamente tutti gli ultrasuoni, ostacolando qualsiasi penetrazione nel tessuto. Pertanto, un mezzo di accoppiamento, solitamente un gel acquoso, viene applicato tra le superfici del trasduttore e la pelle per eliminare lo strato d'aria.

Le macchine a ultrasuoni attualmente utilizzate nell'anestesia regionale forniscono un'immagine 2D, o "fetta". Recentemente sono state sviluppate macchine in grado di produrre immagini tridimensionali (3D). Teoricamente, l'imaging 3D dovrebbe aiutare a comprendere la relazione tra le strutture anatomiche e la diffusione degli anestetici locali. Esistono tre tipi principali di imaging ecografico 3D: (1) Freehand 3D si basa su una serie di immagini ecografiche 2D a sezione trasversale acquisite da un ecografista che sposta il trasduttore su una regione di interesse (Figure 18A e 18B). (2) Volume 3D fornisce immagini volumetriche 3D utilizzando un trasduttore 3D dedicato. Gli elementi del trasduttore percorrono automaticamente la regione di interesse durante la scansione; l'ecografista non è tenuto a eseguire movimenti della mano (Figura 18C). (3) Il 3D in tempo reale acquisisce più immagini con diverse angolazioni, consentendo all'ecografista di vedere il modello 3D in movimento in tempo reale. Tuttavia, la risoluzione spaziale tipica dell'imaging 3D è di circa 0.34–0.5 mm. Al momento, i sistemi di imaging 3D mancano ancora della risoluzione e della semplicità delle immagini 2D, quindi il loro uso pratico nell'anestesia regionale è limitato.

Immagine 17. A: Campo di scansione rettangolare dato dal trasduttore lineare. B: campo di scansione a forma di arco dato dal trasduttore curvo. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Immagine 18.  R: Imaging 3D a mano libera. Un trasduttore lineare produce linee di scansione parallele e un display rettangolare; scansione lineare. B: Imaging 3D a mano libera. Un trasduttore curvo "phase array" risulta in una scansione curvilinea e un'immagine a forma di arco. C: Volto fetale visto dall'imaging 3D del volume. (Riprodotto con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

COMPENSAZIONE DEL GUADAGNO DI TEMPO

Gli echi mostrano un costante calo di ampiezza con l'aumentare della profondità. Ciò si verifica per due motivi: in primo luogo, ogni riflessione successiva rimuove una certa quantità di energia dall'impulso, diminuendo la generazione di echi successivi. In secondo luogo, il tessuto assorbe gli ultrasuoni, quindi c'è una perdita costante di energia mentre l'impulso degli ultrasuoni viaggia attraverso i tessuti. Questo può essere corretto manipolando la compensazione del guadagno di tempo (TGC) e le funzioni di compressione. Guadagno è il rapporto tra la produzione e la potenza elettrica in ingresso; controlla la luminosità dell'immagine. Il guadagno è solitamente misurato in decibel (dB). Aumentando il guadagno si amplificano allo stesso modo non solo i segnali di ritorno, ma anche il rumore di fondo all'interno del sistema. TGC è un'amplificazione dipendente dal tempo. La funzione TGC può essere utilizzata per aumentare l'ampiezza dei segnali in entrata da varie profondità di tessuto.

La disposizione dei comandi del TGC varia da una macchina all'altra. Un design popolare è un set di manopole a scorrimento. Ciascuna manopola nel set di cursori controlla il guadagno per una profondità specifica, che consente una scala di guadagno ben bilanciata sull'immagine (Figure 19A, 19Be 19C).

Figura 19: A, B e C: l'effetto delle impostazioni di compensazione del guadagno di tempo. La compensazione del guadagno di tempo è una funzione che consente l'amplificazione dipendente dal tempo (profondità) dei segnali di ritorno da diverse profondità. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

Amplificazione è la conversione delle piccole tensioni ricevute dal trasduttore in tensioni più grandi adatte per ulteriori elaborazioni e memorizzazione. Esistono due processi di amplificazione considerati per aumentare l'entità degli echi ultrasonici: amplificazione lineare e non lineare. Attualmente, il sistema di imaging a ultrasuoni con amplificatori lineari è comunemente utilizzato nelle applicazioni diagnostiche mediche. Tuttavia, la forza degli echi si attenua in modo esponenziale all'aumentare della distanza tra il trasduttore e il riflettore. Gli strumenti di imaging ad ultrasuoni dotati di amplificatori logaritmici possono visualizzare segnali di eco con una gamma dinamica più ampia rispetto a un amplificatore lineare e migliorare notevolmente la sensibilità per una piccola quantità di echi sullo schermo.

Gamma dinamica è la gamma di ampiezze dal più grande al più piccolo segnali di eco che un sistema a ultrasuoni può rilevare. La gamma dinamica più ampia/più alta presenta un numero maggiore di livelli di scala di grigi e crea un'immagine più morbida; l'immagine con una gamma dinamica più stretta/inferiore appare con un contrasto maggiore (Figure 20A e 20B). La gamma dinamica inferiore a 50 dB o superiore a 100 dB è probabilmente troppo bassa o troppo alta in termini di visualizzazione del nervo periferico. La compressione è il processo di diminuzione delle differenze tra le ampiezze di tensione dell'eco più piccola e più grande; la compressione ottimale è compresa tra 2 e 4 per una scala massima pari a 6.

Immagine 20.: A: Un'immagine più morbida fornita da una gamma dinamica più elevata. B: Un'immagine con più contrasto fornito da una gamma dinamica più bassa.

MESSA A FUOCO

Come discusso in precedenza, è comune utilizzare mezzi elettronici per restringere la larghezza del raggio a una certa profondità e ottenere un effetto di messa a fuoco simile a quello ottenuto utilizzando una lente convessa (Figura 21). Esistono due tipi di messa a fuoco: anulare e lineare. Questi sono illustrati in Figure 22A e 22B, Rispettivamente.

La regolazione della messa a fuoco migliora la risoluzione spaziale sul piano di interesse poiché l'ampiezza del raggio è convergente. Tuttavia, la riduzione dell'ampiezza del fascio alla profondità selezionata si ottiene a scapito del degrado dell'ampiezza del fascio ad altre profondità, risultando in immagini più scadenti al di sotto della zona focale.

Figura 21: Una dimostrazione dell'effetto di messa a fuoco. È possibile utilizzare un mezzo elettronico per restringere la larghezza del raggio a una profondità specifica, ottenendo l'effetto di messa a fuoco e una maggiore risoluzione a una profondità prescelta. (Adattato con il permesso di Hadzic A: Peripheral Nerve Blocks and Anatomy for Ultrasound-Guided Regional Anesthesia, 2a ed. New York: McGraw-Hill, Inc; 2011.)

 

Figura 22: A: La focalizzazione anulare è una focalizzazione elettronica da tutte le direzioni nel piano di scansione data da un trasduttore anulare che contiene diversi elementi ad anello disposti concentricamente. B: La messa a fuoco lineare è una messa a fuoco elettronica applicata lungo entrambi i lati laterali nel piano di scansione.

BIOEFFETTO E SICUREZZA

I meccanismi d'azione mediante i quali un'applicazione ad ultrasuoni potrebbe produrre un effetto biologico possono essere concettualmente classificati in due aspetti: riscaldamento e meccanico. In realtà, questi due effetti sono raramente separabili ad eccezione della litotripsia extracorporea, l'applicazione terapeutica dei soli bioeffetti meccanici. La generazione di calore aumenta all'aumentare dell'intensità o della frequenza degli ultrasuoni. Per condizioni di esposizione simili, l'aumento di temperatura previsto nell'osso è significativamente maggiore che nei tessuti molli. In esperimenti in vivo, ultrasuoni ad alta intensità (solitamente > 2 W/cm2) è utilizzato per valutare l'effetto biologico dannoso; è da 5 a 20 volte maggiore delle intensità terapeutiche (0.08–0.5 W/cm2) e da 8 a 100 volte superiore alle intensità diagnostiche (modalità flusso colore 0.25 W/cm2, Scansione in modalità B 0.02 W/cm2). Rapporti in modelli animali (topi e ratti) suggeriscono che l'applicazione degli ultrasuoni può provocare una serie di effetti indesiderati, come riduzione del peso fetale, mortalità postpartum, anomalie fetali, lesioni tissutali, paralisi degli arti posteriori, stasi del flusso sanguigno e regressione del tumore. Altri effetti indesiderati riportati nei topi sono anomalie nello sviluppo dei linfociti B e nella risposta ovulatoria e teratogenicità.

In generale, i tessuti adulti sono più tolleranti all'aumento della temperatura rispetto ai tessuti fetali e neonatali. Una moderna macchina ad ultrasuoni visualizza due indici standard: termico e meccanico. L'indice termico (TI) è definito come la potenza di uscita acustica del trasduttore divisa per la potenza stimata necessaria per aumentare la temperatura dei tessuti di 1°C. L'indice meccanico (MI) è uguale alla pressione rarefazionale di picco divisa per la radice quadrata della frequenza centrale della larghezza di banda dell'impulso. TI e MI indicano rispettivamente la probabilità relativa di rischio termico e meccanico in vivo. Sia TI che MI maggiori di 1.0 sono pericolosi.

L'effetto biologico dovuto agli ultrasuoni dipende anche dal tempo di esposizione dei tessuti. I ricercatori di solito usano topi gravidi per esporre agli ultrasuoni con un'intensità minima di 1 W/cm2 per 60-420 minuti per valutare gli eventi avversi dipendenti dal tempo che si verificano nei feti di roditori. Fortunatamente, il blocco nervoso ecoguidato richiede l'uso di valori bassi di TI e MI sul paziente per un breve periodo di tempo. Sulla base dei risultati degli studi sperimentali in vitro e in vivo fino ad oggi, non ci sono prove che l'uso degli ultrasuoni diagnostici nella pratica clinica di routine sia associato a rischi biologici.

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