L'opzione senza radiazioni: applicazioni degli ultrasuoni nella medicina moderna

L'ecografia è una tecnologia di imaging ancora più antica della tradizionale imaging a raggi X. Tuttavia, è stato adattato per l'uso in campo medico molto più tardi. Il suo primo utilizzo registrato è in ostetricia negli anni '50. Da allora, l'uso degli ultrasuoni si è ampliato per coprire altre aree della medicina e la tecnologia di imaging medicale ad ultrasuoni ha fatto diversi progressi nel corso degli anni. Questo articolo discute i progressi degli ultrasuoni nel tempo e come vengono utilizzati oggi nel settore sanitario.

Come funziona il dispositivo di imaging a ultrasuoni?

Come suggerisce il nome, funziona utilizzando le onde sonore. I dispositivi di imaging a ultrasuoni generano onde sonore ad alta frequenza, solitamente comprese tra 1 e 5 MHz. Queste onde sonore vengono trasmesse al corpo utilizzando una sonda portatile. Le onde sonore viaggiano ininterrottamente all'interno del corpo, fino a quando non colpiscono l'interfaccia tra due tessuti (ad esempio, tra muscolo e osso o tra fluido e tessuto molle). A seconda del tipo di tessuto presente, le onde sonore possono essere riflesse all'indietro o continuare a viaggiare ulteriormente. Le onde che vengono riflesse all'indietro (chiamate echi) vengono ritrasmesse al dispositivo di imaging a ultrasuoni. In base al tempo di ritorno di ogni eco e alla velocità del suono nel tessuto, il dispositivo di imaging medico ad ultrasuoni calcola la distanza tra la sonda e ciascuna struttura. La distanza e l'intensità di tutti gli echi si trasformano in un'immagine bidimensionale che appare sullo schermo di imaging ad ultrasuoni.

Come funzionano gli ultrasuoni rispetto ad altre modalità di imaging medico?

Il più grande vantaggio degli ultrasuoni è che, a differenza della maggior parte delle altre tecniche di imaging, non utilizza radiazioni ionizzanti. È quindi sicuro per le popolazioni di pazienti sensibili agli effetti dell'esposizione alle radiazioni, come le donne incinte e i bambini. Cattura i tessuti molli molto meglio dei raggi X e delle scansioni TC ed è ideale per la visualizzazione degli organi interni. Durante la stessa seduta, è possibile ottenere più piani di imaging senza modificare la posizione del paziente; è sufficiente spostare la sonda portatile. Oltre al fatto che non utilizza radiazioni, un altro vantaggio chiave dell'uso degli ultrasuoni nelle configurazioni mediche è il basso costo. È molto meno costoso delle scansioni TC e della risonanza magnetica.

D'altra parte, gli ultrasuoni tradizionali non possono fornire la precisione di imaging dettagliata disponibile con tecniche avanzate, come la scansione TC. Non è in grado di visualizzare adeguatamente ossa e tessuti duri. La sessione di imaging ad ultrasuoni richiede più tempo rispetto ad altre modalità di imaging. Mentre una TAC può essere ottenuta in 30 secondi, un'ecografia impiegherebbe dai 15 ai 30 minuti.

Come vengono utilizzati gli ultrasuoni nell'imaging medico?

Un sistema di imaging medico ad ultrasuoni può essere utilizzato per visualizzare la struttura di qualsiasi organo interno del corpo in tempo reale. Applicando l'effetto Doppler (che è un cambiamento nella frequenza del suono quando l'oggetto si sposta avanti/lontano dalla sorgente), è possibile tracciare anche il flusso di sangue attraverso i vasi. Di seguito sono elencate alcune applicazioni di imaging medicale ad ultrasuoni:

• Ostetricia/Ginecologia: Gli ultrasuoni possono essere utilizzati per valutare il sistema riproduttivo femminile e il feto in via di sviluppo nell'utero. Questo è molto utile per rilevare possibili anomalie fetali prima della nascita.

• Sonogramma dell'addome e del bacino: possono essere visualizzati organi solidi, come il fegato e il pancreas nell'addome o la vescica e l'utero nel bacino. È difficile osservare l'intestino perché il gas addominale spesso ostruisce le onde sonore.

• Neurosonografia: aiuta a visualizzare il cervello e rilevare anomalie nel flusso sanguigno al cervello.

• Ecografia vascolare: viene utilizzata per valutare la quantità e la velocità del flusso sanguigno nei vasi e per rilevare la presenza di costrizioni o stenosi.

• Ecocardiografia: Questa ecografia è specifica per il cuore e i suoi principali vasi sanguigni, tra cui l'aorta e l'arteria polmonare.

• Applicazioni terapeutiche: Utilizzando gli ultrasuoni per ottenere immagini di organi in tempo reale, è possibile eseguire interventi guidati. Ad esempio, l'aspirazione con ago sottile ecoguidata prevede l'uso di ultrasuoni per guidare l'ago in un ascesso profondo o in una cisti al fine di aspirarne il contenuto. L'ecografia Doppler può essere utilizzata anche per rilevare le vene prima dell'iniezione in vena o per rilevare i vasi sanguigni prima di sollevare un lembo chirurgico per la ricostruzione.

Quali sono i recenti progressi nell'imaging medicale ad ultrasuoni?

I produttori di apparecchiature per la diagnostica per immagini ad ultrasuoni hanno sempre cercato di superare i limiti degli ultrasuoni tradizionali. Ciò ha portato a diverse innovazioni. C'è stato un miglioramento nel sistema di imaging a ultrasuoni stesso, inclusi migliori sistemi hardware e trasduttori. I produttori di sistemi di diagnostica per immagini ad ultrasuoni hanno lavorato duramente per ottenere miglioramenti nell'acquisizione, nella memorizzazione e nell'interpretazione di ecografi/immagini. Alcuni dei notevoli progressi nell'imaging ad ultrasuoni che hanno portato a progressi significativi nel settore sanitario sono discussi di seguito:

• Digitalizzazione: proprio come le radiografie, l'acquisizione di ultrasuoni è entrata nell'era digitale. Rispetto agli ultrasuoni analogici convenzionali, il sistema di diagnostica per immagini ad ultrasuoni digitale è più affidabile e tende a produrre immagini migliori. Questo perché l'ecografia digitale ha caratteristiche migliori, tra cui:

• Produzione di fasci digitali: i produttori di sistemi di diagnostica per immagini ad ultrasuoni hanno introdotto dispositivi in cui il fascio di onde sonore può essere controllato con mezzi digitali. Il controllo del raggio dell'immagine può migliorare la risoluzione spaziale e ridurre gli artefatti. Questo migliora il contrasto dell'immagine.

• Rapporto segnale-rumore e acquisizione del segnale migliorati: consentono una migliore trasmissione e ricezione dell'onda sonora. Questo porta a una migliore visualizzazione delle immagini.

• Archiviazione e archiviazione migliori: le immagini digitali vengono memorizzate automaticamente nel sistema di imaging a ultrasuoni. Anche l'archiviazione di /immagini è resa più semplice perché può essere eseguita elettronicamente. Ciò significa che c'è una minore probabilità di smarrimento delle cartelle cliniche dei pazienti.

• Portabilità: la capacità di imballare grandi quantità di informazioni su piccoli microchip ha permesso ai dispositivi a ultrasuoni un tempo ingombranti di ridursi di dimensioni. Ciò consente al produttore di apparecchiature per la diagnostica per immagini ad ultrasuoni di fornire un vantaggio importante agli operatori sanitari: la portabilità. I nuovi dispositivi a ultrasuoni sono portatili e possono essere facilmente trasportati dal medico in diverse sale d'esame e in sala operatoria. I dispositivi palmari contengono spesso un sistema di imaging a ultrasuoni multiuso, che può essere utilizzato per qualsiasi scopo. Ad esempio, lo screening per la raccolta di liquidi nell'addome, l'analisi del flusso sanguigno e il rilevamento dei battiti cardiaci fetali possono essere eseguiti con lo stesso dispositivo.

• Ultrasuoni 3D e 4D: Il limite principale degli ultrasuoni tradizionali è la sua natura bidimensionale. Il medico deve comprendere le relazioni strutturali e spaziali tra le varie strutture anatomiche e deve cercare di «assemblare» le /immagini nella loro mente per un corretto orientamento. Al giorno d'oggi, tuttavia, gli ultrasuoni/immagini 3D possono essere ottenuti ricostruendo una serie di /immagini bidimensionali. Il vantaggio principale di questa tecnica è che può aiutare nelle misurazioni volumetriche. Ad esempio, con l'ecocardiografia 3D, è possibile quantificare il volume atriale e ventricolare. La visualizzazione tridimensionale dell'anatomia può anche aiutare a diagnosticare condizioni come le cardiopatie valvolari.
  
  L'ecografia 4D è stata sviluppata anche come parte del sistema di imaging medico ad ultrasuoni. Nell'imaging 4D, il medico può visualizzare le /immagini ricostruite allo stesso modo degli ultrasuoni/immagini 3D, ma può anche valutare la funzione in tempo reale. Ad esempio, utilizzando gli ultrasuoni 4D in ostetricia, è possibile con l'imaging 4D visualizzare il feto che apre gli occhi o succhia un pollice.

• Metodi per valutare le proprietà fisiche dei tessuti: Convenzionalmente, gli ultrasuoni e altre tecniche di diagnostica per immagini per i tessuti consentono l'ispezione e non la palpazione. Quindi, mentre possiamo «vedere» il tessuto o l'organo in esame, non possiamo «sentirlo». Tuttavia, i progressi nei metodi di imaging medicale ad ultrasuoni hanno reso possibile questo:

• Elastografia: alcune malattie possono causare un cambiamento nell'elasticità dei tessuti. Il grado di elasticità o rigidità dei tessuti può essere misurato attraverso il modulo di elasticità (modulo di Young). Questo viene fatto applicando la compressione sui tessuti attraverso il trasduttore e misurando il grado di distorsione del tessuto sotto questa forza di compressione. Questo può essere applicato per varie condizioni. Ad esempio, può essere utilizzato per rilevare la fibrosi del fegato, analizzare la causa dei linfonodi ingrossati e identificare i noduli tiroidei. Può essere utilizzato anche per lo screening della neoplasia tissutale.

• Vibro-acustica: Questa tecnica prevede l'uso di due fasci di ultrasuoni per concentrarsi sulla regione di interesse. Entrambi i fasci hanno frequenze diverse e tendono a interferire tra loro. Ciò fa sì che l'oggetto di interesse vibri a bassa frequenza. La vibrazione viene catturata da un microfono e convertita in un'immagine. Questo è utile per rilevare masse più dure all'interno dei tessuti molli, come le masse calcificate. Ad esempio, i calcoli salivari o le microcalcificazioni mammarie possono essere rilevati utilizzando questa tecnica.

• Ecografia a contrasto: i mezzi di contrasto sono stati applicati con successo in altre tecniche di imaging, come le scansioni TC e la risonanza magnetica. Gli agenti di contrasto sono in genere coloranti radioattivi che vengono iniettati nei vasi sanguigni per aiutare a monitorare il modello del flusso sanguigno attraverso di essi. Gli agenti di contrasto per gli ultrasuoni sono stati introdotti abbastanza recentemente. Non si tratta di coloranti radioattivi, ma di microbolle di gas ad alto peso molecolare incapsulate all'interno di un guscio elastico. In un'ecografia normale, i vasi sanguigni non possono essere facilmente distinti dal tessuto normale circostante. Tuttavia, quando le microbolle vengono introdotte in circolazione, le bolle di gas oscillano in risposta alle onde sonore. Pertanto, l'eco ricevuta dai vasi sanguigni può essere distinta dal tessuto circostante. Oggi sono disponibili microbolle di diametro fino a 10 µm. A causa delle loro dimensioni microscopiche, possono persino attraversare letti capillari, il che consente ai medici di avere una visione dettagliata della rete vascolare. Questa tecnica è particolarmente utile in ecocardiografia e può essere utilizzata per valutare la funzione ventricolare sinistra e il flusso sanguigno attraverso i grandi vasi.

• Ultrasuoni endoluminali: Lo sviluppo di trasduttori ad ultrasuoni più piccoli ha permesso la loro inclusione nei dispositivi endoscopici. Pertanto, è possibile ottenere una migliore qualità/immagini degli organi interni con endoscopi. L'ecografia endoluminale è stata utilizzata per biopsie guidate di lesioni localizzate in aree come l'albero tracheobronchiale, il tratto urogenitale o il tratto biliare. È stato utilizzato anche nella regione intravascolare per guidare procedure come l'angioplastica.

Cosa riserva il futuro? «Ultrasuoni su un chip»

La sonda tradizionale del trasduttore (che utilizza cristalli piezoelettrici) potrebbe essere in uscita. Ricercatori e imprenditori hanno trovato un modo per incorporare l'intelligenza artificiale su un microchip, che forma la nuova sonda del trasduttore. Questa elegante sonda portatile può essere semplicemente collegata allo smartphone dell'utente e le immagini possono essere visualizzate sul dispositivo. Gli «ultrasuoni su chip» riducono i costi dell'hardware e possono essere utilizzati anche per monitorare i pazienti a casa.

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Con il moderno sistema di diagnostica per immagini a ultrasuoni digitale di oggi, i medici richiedono anche un software di visualizzazione delle immagini di alta qualità in modo che gli ultrasuoni/le immagini possano essere visualizzati con alta risoluzione e chiarezza. Con l'avvento dello standard DICOM, tutti gli ultrasuoni/immagini digitali acquisiti vengono memorizzati nel formato DICOM. Quindi, il software deve essere in grado di leggere e modificare /images in questo formato. Un software ideale consentirebbe anche ai medici di ottenere informazioni dalle /immagini attraverso varie tecniche, come il rendering del volume e la ricostruzione. Il software consentirebbe la fusione delle immagini. Ciò significa che l'immagine ecografica può essere sovrapposta a un'altra modalità di imaging, come la TAC. Ciò consente agli esperti medici di ottenere allo stesso tempo un orientamento anatomico e una valutazione funzionale.

È inoltre essenziale che il software di visualizzazione delle immagini sia combinato con un sistema di archiviazione altrettanto efficiente. Questo perché gli ultrasuoni/le immagini digitali necessitano di ampio spazio di archiviazione e sarebbe necessario un server che consenta di ospitare diversi file di imaging dei pazienti. Un sistema di storage di questo tipo consente di recuperare tali file dall'archivio quando necessario.

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