Come funziona l’ecografo? Tutti i segreti di questo meraviglioso strumento

L’ecografia è una metodica clinica destinata a spingersi sempre più avanti man mano che la tecnologia diventa sempre più sofisticata. Nel mondo di oggi e soprattutto in quello ddi domani, questo meraviglioso strumento aiuterà milioni di sanitari e pazienti a guarire ed essere assistiti nei migliori dei modi. Tutto bello ma, come funziona l’ecografo?

Questo articolo sarà perfetto chi si è sempre chiesto come sia possibile che, attraverso una semplice scocca di plastica attaccata ad un computer, sia possibile vedere gli organi all’interno del corpo umano.

L’ecografia, infatti, può apparire una magia: il solo appoggiare lo strumento sulla cute del paziente ci permette di scrutarne l’interno, con rischi e costi bassissimi. Eppure è tutto molto semplice da scoprire. Iniziamo!

A cosa serve l’ecografo?

Immaginate quanto possa essere utile per un medico riuscire a dare un’occhiata al vostro cuore, o agli organi all’interno dell’addome senza dovervi aprirvi! L’ecografo è lo strumento con cui medici ( ma anche gli infermieri!) possono vedere i tessuti interni del paziente senza alcun rischio e capire come riuscire ad aiutarci.

Non solo i classici ecocardiogramma o l’ecografia addominale eseguita dai medici, l’ecografo serve a diversi operatori, ad esempio agli infermieri, anche per verificare la presenza di globo vescicale (la presenza di urine ritenute in vescica che non defluiscono per diversi motivi) prima di posizionare un catetere vescicale. 

O ancora il rilevamento e il posizionamento di accessi venosi prima impossibili da trovare se non con tentativi infruttuosi e inutili dolori per il paziente. E tanto altro ancora!

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Oltre all’ecografia, sei interessato ad imparare anche l’elettrocardiogramma? 

“ECG Facile: dalle basi all’essenziale” è il manuale perfetto per imparare a interpretare l’elettrocardiogramma. Un testo pensato principalmente per professionisti sanitari non medici che vogliano possedere la giusta dimestichezza con quest’arte.

Il manuale ha il solo scopo di farvi sviluppare un unico superpotere: saper discriminare un tracciato normale da uno patologico, sapere quando dovrete segnalarlo al medico, e possibilmente salvare la vita del paziente.

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Che cos’è un ecografo?

Iniziamo dallo strumento: l’ecografo, ai minimi termini, non è che una sonda collegata ad un computer dedicato a poche ma complesse funzioni: analizzare le informazioni emesse e ricevute dalla sonda, e in base a complessi calcoli matematici e algoritmi restituire un’immagine a video e dati.

Questi dati e queste immagini saranno utilizzati per formulare diagnosi, rilevare parametri vitali (c’è un modo non invasivo per avere la pressione venosa centrale) o monitorare una situazione clinica ( come il battito cardiaco fetale durante la gravidanza).

La sonda, invece, è molto più complessa di quello che si possa pensare. Una sonda ecografica è composta da un cavo collegato ad un computer ed una scocca ergonomica al cui interno è inserito un materiale, un cristallo, che ha una caratteristica fisica interessante: converte l’energia elettrica in onde sonore e le onde sonore in elettricità.

Questo materiale è il cristallo piezoelettrico: tantissimi cristalli disposti e posizionati in diverse modalità e per diversi scopi emettono ultrasuoni quando sollecitati da energia elettrica e producono energia elettrica quando stimolati da ultrasuoni.

Come funziona l’ecografo?

Alla base del funzionamento dell’ecografo c’è lo sfruttamento di una particolare banda di frequenza delle onde sonore e delle interazioni che queste hanno con un tessuto biologico come i muscoli, il connettivo, i liquidi di un organo qualsiasi come il cuore.

Il fenomeno fisico alla base dell’ecografia, e il suo utilizzo, è del tutto simile a quello usato dai radar e dai pipistrelli! Andando nello specifico:

Onde sonore

Un’onda sonora è una forza meccanica che induce una compressione e una dilatazione del materiale che attraversa. Una vibrazione che si propaga nel mezzo fisico interessato a partire da una sollecitazione.

Caratteristiche delle onde sonore

Le onde sonore hanno quattro caratteristiche:

• frequenza (Hz), in numero di cicli per secondo;
• velocità di propagazione (c), nell’aria il suono viaggia a circa 300 m/s;
• Lunghezza d’onda (λ), la distanza tra due creste;
• Ampiezza (db), intensità del segnale.

Suoni e ultrasuoni con finalità mediche

I suoni si possono distinguere in base alle loro frequenze:

• gli infrasuoni (<20 Hz) che non sono udibili all’uomo ma da alcuni animali (balene e delfini);
• suoni (>20Hz e <20.000 Hz) gamma di frequenze udibili dall’uomo;
• ultrasuoni (>20.000 Hz) suoni non udibili all’uomo ma da alcuni animali (pipistrelli);

Alcuni ultrasuoni, le cui frequenze viaggiano tra 1 e 20 MHz (milioni di Hz), insieme ad altre inferiori, come nel caso dell’eco-doppler, vengono usati a fini diagnostici.

Interazione ultrasuono-tessuto

I tessuti sottoposti a ultrasuoni avranno risposte e interazioni diverse. Ciò che permette all’ultrasuono di trasformarsi in un onda di eco è la diversa impedenza acustica, ovvero una sorta di resistenza al passaggio del suono in un mezzo.

• Aria e ossa hanno impedenze estreme che non producono o impediscono echi. Sono quindi limiti alla visione ecografica.
• I tessuti biologici (muscoli, tessuto connettivo, liquidi,ecc..) hanno impedenze leggermente diverse tra loro e, interfacciandosi permettono la produzione di echi utili ad essere rilevati. Le diverse impedenze acustiche di tessuti diversi tra loro producono echi e vengono chiamate interfacce acustiche.

Un’onda sonora nell’interagire con un tessuto può avere quattro caratteristiche:

• Interazioni positive allo scopo ecografico:
  • Riflessione
  • Scattering o spargimento
• Interazioni negative:
  • Rifrazione
  • Attenuazione

Allo scopo dell’articolo, parleremo brevemente delle interazioni positivi e utili allo scopo ecografico, la riflessione e lo scattering.

Riflessione

L’onda che incrocia un’interfaccia restituisce un eco che, in base al tempo impiegato per tornare e la forma del tessuto che incontra, darà un’informazione specifica.

La quantità di riflesso dipende da:

• Angolo di riflessione, un angolo perpendicolare al fascio di ultrasuoni lo rispecchia perfettamente.
• Differenza d’impedenza acustica tra due tessuti, ovvero l’interfaccia.

Dispersione o Scattering

Quando il tessuto incontrato dall’ultrasuono è troppo piccolo o irregolare, gli echi prodotti sono molteplici e “dispersi” in tutte le direzioni. Questa dispersione comporta una grande perdita di segnale rispetto alla riflessione speculare dell’ultrasuono, nonostante ciò questa perdita è utile per sfruttare l’effetto doppler.

Come riesce l’ecografo a vedere gli organi?

Un singolo fascio di ultrasuoni attraversa un tessuto, sempre come esempio: il cuore. Nel suo proseguire all’interno del cuore ogni volta che incontra un’interfaccia ( un tessuto, ad esempio una valvola, la parete muscolare, ecc..) si produrrà un eco di ritorno come conseguenza. Eco che viene percepito dalla sonda quando ritorna dopo il primo rimbalzo.

A-Mode

Quanto è più intenso il segnale di ritorno maggiore sarà l’ampiezza del segnale. Ampiezza che in passato veniva rappresentato in A-Mode (A di amplitude, ampiezza). Consiste in un grafico in cui l’asse orizzontale rappresenta l’ampiezza del segnale mentre sull’asse verticale la distanza tra le strutture.

B-Mode

Se volessimo ridurre l’asse orizzontale in un’unica dimensione come potremmo identificare il valore di ampiezza? Con le scale di grigio!

Il B-Mode (brightness mode) è l’espressione del valore dell’asse orizzontale rappresentato secondo una scala di valori, di “brillanza“, in 256 toni del grigio.

M-Mode

Se un B-Mode fosse un pennello che scorrendo su un rullo di carta ne disegna le impressioni ecco che avremmo un M-Mode (motion mode).

Un B-mode traslato sull’asse orizzontale rappresenterà la variazione degli eventi nel tempo. Essendo necessario un solo fascio di ultrasuoni avremmo un’ottima risoluzione spaziale e temporale, ovvero riusciremo a distinguere due punti sullo spazio discriminando bene tanti eventi nel tempo.

B-Mode 2D

Ed eccoci finalmente pronti a scoprire come fa una sonda che emette ultrasuoni a ricostruire immagini di organi e tessuti corporei!

L’ecografia non è che un altissimo numero di fasci ultrasonori, ognuno diretto a scansionare una fetta dell’angolo di esplorazione, e che sommati tutti insieme ricostruiscono un’immagine in due dimensioni.

La velocità degli ultrasuoni è così alta che le immagini ricostruite sono decine per secondo: il risultato sarà una perfetta visione del cuore, del rene, delle arterie o magari del bambino nel ventre di una futura madre.

Poi il difficile è sapere cosa si sta vedendo, usare queste informazioni in maniera intelligente e ovviamente diagnosticare malattie. Ma questa è un altra storia.

Autore: Dario Tobruk 

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Fonti:

• ECOCARDIOGRAFIA CLINICA – Casa Editrice:EDRA – Autori :Otto – Anno Edizione:2019
• Dario Tobruk, “Interpretare e comprendere il referto ecocardiografico: utilità clinica per l’infermiere?“, Tesi di laurea, Università Cattolica del Sacro Cuore, Fondazione Poliambulanza, 2018/19.

Vedi anche:

• Anatomia del Cuore Riassunto per Infermieri: Morfologia, Posizione e Orientamento
• Anatomia superficiale del cuore riassunto per infermieri: faccia sterno-costale e diaframmatica
• Atrio e Ventricolo: anatomia cardiaca e conformazione interna del cuore
• Arterie coronarie del cuore: Riassunto per infermieri e studenti