Cos'è l'ecografia?

Semplifichiamo: come suggerisce il nome, ultrasuoni = onde sonore. Le onde sonore si propagano come onde meccaniche longitudinali, con un movimento alternato delle particelle parallelo alla loro direzione di propagazione. A differenza del suono che sentiamo, gli ultrasuoni sono suoni ad alta frequenza che non percepiamo, poiché sono superiori a 20 kHz. 

Il trasduttore a ultrasuoni emette onde sonore e le rileva quando rimbalzano dopo essere state riflesse dal tessuto che attraversano. L'incidenza si riferisce all'angolo tra il fascio di ultrasuoni e il piano del tessuto. Per la riflessione, l'angolo di incidenza è inferiore a 90 gradi; la riflessione si verifica ai confini e alle interfacce dei tessuti. 

Ecco come gli ultrasuoni vengono riflessi dai tessuti. A: Onde sonore emesse (blu) da un trasduttore a ultrasuoni e riflesse da un mezzo (viola). B. Immagine dettagliata di una singola onda sonora con la sua incidenza, riflessione e trasmissione.

Le onde riflesse vengono quindi trasformate in immagini ecografiche. Riflessioni intense danno origine a strutture iperecogene (bianche e brillanti), mentre riflessioni deboli a strutture ipoecogene (grigio scuro e nere).

Onda sonora

Gli ultrasuoni sono costituiti da un fascio di onde sonore. Analizziamo nel dettaglio le proprietà fisiche di una singola onda sonora.

Ecco come appare un'onda (ultra)sonica. In basso: differenza tra un'onda sonora ad alta e una a bassa frequenza.

• Ampiezza: L'altezza dell'onda indica la sua forza o energia. 
• Lunghezza d'onda: La lunghezza dello spazio su cui si svolge un ciclo; la distanza percorsa dall'inizio alla fine di un ciclo. In termini pratici, il ciclo è importante per la risoluzione tra due punti nello spazio. 
• Periodo: Il tempo impiegato da un'onda sonora per completare un ciclo; si misura in microsecondi (µs). 
• Frequenza: Il numero di cicli ripetuti al secondo, misurato in hertz (Hz).

Fatto interessante

In condizioni ideali, l'orecchio umano è in grado di percepire suoni con frequenze comprese tra 20 e 20.000 Hz. Poiché gli ultrasuoni si trovano al di sopra di questo intervallo di frequenze, sono impercettibili all'udito. 

Velocità acustica

La velocità acustica è la velocità con cui si propaga un'onda sonora attraverso un certo mezzo. Poiché l'apparecchio a ultrasuoni misura il tempo di ritorno degli ultrasuoni, può calcolare il posizione spaziale (profondità) dei tessuti da cui viene riflessa verso il trasduttore.

• Formula: c = fx λ
  • Velocità acustica: c, frequenza: f, lunghezza d'onda: λ. 
• Formula: c = (κ/ρ)½
  • Velocità acustica: c, densità: ρ, rigidità: κ.

Cerchiamo di capire i fattori che influenzano la velocità e la propagazione degli ultrasuoni: densità e rigidità dei tessuti. 

• Densità: La concentrazione di un mezzo (ad esempio, tessuto) attraverso il quale si propagano gli ultrasuoni. 
• Rigidità: La resistenza di un mezzo (ad esempio, un tessuto) alla compressione. 

Fatti interessanti

• La velocità di propagazione aumenta con l'aumentare della rigidità o la diminuzione della densità.
• La velocità media di propagazione nei tessuti molli è di 1540 m/s (con un intervallo da 1400 a 1640 m/s). 
• Gli ultrasuoni non possono penetrare i tessuti polmonari o ossei.

Impedenza acustica

L'impedenza acustica è il grado di difficoltà per un'onda sonora di viaggiare attraverso un mezzo o il resistenza/impedimento alla sua propagazione. Le onde sonore si riflettono quando si verifica un cambiamento di densità e quindi di impedenza acustica. Differenze di densità crescenti si traducono in un maggior numero di riflessioni.

Impedenza acustica dei tessuti umani.

• Formula: z = ρc
  • Impedenza acustica: z, densità: ρ, velocità acustica: c. 

Fatti interessanti

• I tessuti omogenei presentano poche interfacce e, pertanto, mostrano una bassa impedenza acustica e una scarsa riflessione. Risultato: L'immagine ecografica mostra strutture ipoecogene.
• L'impedenza acustica aumenta all'aumentare della velocità di propagazione o della densità del mezzo, ad esempio aumentando la pressione sul trasduttore a ultrasuoni. Risultato: Esercitando pressione sul trasduttore a ultrasuoni, è possibile migliorare la risoluzione dell'immagine. 
• L'osso riflette o assorbe la maggior parte delle onde ultrasoniche. Risultato: Ombre scure o perdita di immagine dietro l'osso. 

Coefficiente di attenuazione

Il coefficiente di attenuazione è il parametro utilizzato per stimare l' diminuzione dell'ampiezza delle onde ultrasoniche dopo la riflessione dai tessuti. Il coefficiente di attenuazione aumenta con l'aumentare della frequenza. 

Risultato: La capacità di visualizzare i tessuti a profondità sempre maggiori diminuisce all'aumentare della frequenza.

L'attenuazione aumenta con la frequenza dell'onda ultrasonica e la distanza percorsa dall'onda ultrasonica diminuisce. Si noti che l'onda a 8 MHz si propaga più in profondità rispetto alle onde a 10 MHz o 12 MHz.