Un array piatto di cristalli allineati
La sonda lineare è il trasduttore di un ecografo la cui superficie di contatto è piana e i cui elementi piezoelettrici stanno allineati uno accanto all’altro lungo una riga. A definirla è la geometria, non la frequenza né l’organo che esamina: tutti gli elementi guardano nella stessa direzione, e da questo discende il resto, a partire dalla forma rettangolare dell’immagine.
Una sonda di questo tipo porta di solito da 128 a 256 elementi su una faccia lunga fra i tre e i quattro centimetri. L’elettronica non li eccita tutti insieme: accende un gruppetto di elementi adiacenti, che emette un fascio perpendicolare alla faccia, poi passa al gruppo successivo spostandosi di un elemento alla volta lungo la fila. Ogni gruppo produce una linea di scansione, e le linee partono parallele fra loro.
Ne esce un’immagine larga quanto la faccia del trasduttore, e larga uguale a ogni profondità. È la differenza che si vede subito rispetto alle sonde con la faccia curva, che invece aprono un settore man mano che si scende.
Dal cristallo piezoelettrico all’eco
Ogni elemento è una lamina di ceramica piezoelettrica: applicandole una tensione si deforma, e deformandola genera una tensione. Un impulso elettrico brevissimo la fa vibrare, la vibrazione diventa un’onda di pressione che entra nei tessuti, e l’eco di ritorno la deforma di nuovo producendo un segnale elettrico. Lo stesso elemento trasmette e ascolta, in momenti diversi.
La profondità della struttura che ha rimandato indietro l’eco si ricava dal tempo di volo, cioè dai microsecondi trascorsi fra l’impulso e il ritorno. Il calcolo assume nei tessuti molli una velocità di propagazione fissa, 1.540 metri al secondo: è un valore convenzionale, e dove il tessuto attraversato si discosta da quella velocità la struttura viene disegnata leggermente fuori posto.
Il fascio, poi, non parte piatto. Ritardando di frazioni di microsecondo l’accensione degli elementi laterali rispetto a quelli centrali, il fronte d’onda si incurva e converge a una certa distanza: è la focalizzazione elettronica, che si sposta in profondità senza muovere nulla di meccanico. Sul piano perpendicolare alla fila, dove gli elementi non ci sono, la messa a fuoco resta affidata a una lente acustica fissa incollata sulla faccia.
Frequenza e penetrazione: il compromesso di una sonda lineare
Un’onda che attraversa i tessuti si smorza, e si smorza tanto più in fretta quanto più è alta la frequenza. L’attenuazione nei tessuti molli viene stimata intorno a mezzo decibel per ogni centimetro percorso e per ogni megahertz di frequenza, con fonti tecniche che ne indicano fino al doppio. L’ecografia diagnostica lavora fra 1 e 18 MHz, e la banda si sceglie in base a questo: le strutture superficiali si guardano fra 7 e 18 MHz, gli organi profondi fra 1 e 6.
Le sonde lineari stanno nella fascia alta. In commercio dichiarano frequenze centrali di 7,5 MHz su una banda da 5 a 10, di 9 MHz su una banda da 5,3 a 11, di 10 MHz su una banda da 8 a 14; le schede dei costruttori di array arrivano a 15, 18 e perfino 28 MHz per gli usi più superficiali. La profondità dichiarata scende in proporzione: una lineare che lavora fra 7 e 12 MHz copre da uno a una quindicina di centimetri, oltre i quali l’eco che torna è troppo debole per staccarsi dal rumore.
Risoluzione assiale e risoluzione laterale
Due strutture allineate lungo il fascio si distinguono se l’impulso emesso è più corto della distanza che le separa: la risoluzione assiale vale circa metà della lunghezza spaziale dell’impulso, cioè metà del prodotto fra numero di cicli e lunghezza d’onda. A 10 MHz, con 1.540 metri al secondo, la lunghezza d’onda sta intorno a 0,15 millimetri, e si capisce da dove venga il vantaggio delle alte frequenze: accorciano l’impulso.
Due strutture affiancate si distinguono invece solo se in quel punto il fascio è più stretto della distanza fra loro. È la risoluzione laterale, governata dalla larghezza del fascio, che peggiora allontanandosi dalla zona focale. Qui la geometria piatta ha un vantaggio proprio: le linee restano parallele, la distanza fra una linea e l’altra è la stessa al centro e ai bordi, e la qualità laterale è uniforme su tutta la larghezza dell’immagine.
Le grandezze dichiarate su una sonda lineare
Le schede tecniche di queste sonde riportano sempre le stesse voci, e ognuna dice qualcosa di preciso.
- La frequenza principale e la larghezza di banda: il trasduttore è a banda larga, emette e riceve su un intervallo, e la frequenza centrale è solo il punto di lavoro dichiarato.
- La traccia, o impronta, cioè la lunghezza della faccia a contatto con la pelle: 30 o 40 millimetri sono valori correnti, e fissano la larghezza dell’immagine.
- Il numero di elementi, da 128 a 256, che insieme alla traccia determina il passo fra un elemento e l’altro, dell’ordine di frazioni di millimetro.
- L’intervallo di profondità impostabile, che nelle sonde superficiali parte da un centimetro scarso.
Dove si appoggia una sonda lineare
La faccia piana chiede una finestra acustica piana. Su una superficie che curva più della faccia, una parte degli elementi perde il contatto con la cute, e quel tratto di immagine si spegne: il gel accoppia, ma non riempie un distacco di millimetri.
Dove il contatto c’è, la banda alta lavora su tutto ciò che sta nei primi centimetri: vasi sanguigni superficiali, tiroide, ghiandole e piccole parti, muscoli e tendini, strutture pediatriche. La stessa geometria è quella che si usa per seguire in tempo reale la punta di un ago mentre avanza, perché il piano dell’immagine coincide con il piano della faccia e resta rettangolare per tutta la profondità utile.
Lineare, convex e phased array: la faccia decide l’immagine
Le tre famiglie di sonde per imaging si distinguono prima di tutto per la superficie da cui parte il fascio. Nella convex gli elementi stanno su un arco di raggio compreso fra i quattro e i sei centimetri: i fasci escono perpendicolari a una superficie curva, quindi divergono, e l’immagine è un settore stretto in alto e largo in fondo, ottenuto a frequenze più basse.
La phased array ha una faccia piccola e piatta, e apre il settore in un altro modo: tutti gli elementi sparano insieme, con ritardi progressivi che orientano il fascio a ventaglio da un punto solo. La micro-convex sta a metà, con un arco di uno o due centimetri di raggio. Fra tutte, la geometria piatta è l’unica che restituisce un rettangolo, e l’unica che spende l’intera faccia in larghezza invece che in angolo.
