Come fanno i pipistrelli ad individuare le prede durante la caccia notturna? Nel corso di una classica ecografia in gravidanza è possibile visualizzare l’immagine del feto tramite uno strumento posto sulla pelle del paziente, come è possibile?
Ecografia e pipistrelli
Il mondo naturale è incredibilmente ricco di sorprese, allora perché non sfruttare alcune di queste a vantaggio dell’uomo, in particolare per applicazioni mediche?
Ad esempio, i pipistrelli prediligono la vita notturna e, per muoversi e cacciare nel buio completo, emettono continuamente suoni di breve durata e analizzano costantemente l’eco di ritorno, visualizzando la posizione degli ostacoli e delle prede, invisibili all’occhio; cioè creano nella loro mente una sorta di “immagine sonora”, come?
L’idea è in realtà molto semplice: Quando ci si trova in un posto chiuso e si prova ad alzare la voce, si percepisce subito il ritorno del suono emesso, più comunemente l’eco, prodotto dal rimbalzo, attraverso le pareti della galleria, del suono diffuso. Più grande è la galleria, maggiore sarà il tempo impiegato dal suono per tornare indietro. È in questo modo che i pipistrelli, in base al tempo di ritorno del loro urlo, sono in grado di comprendere la distanza degli ostacoli presenti nell’ambiente circostante.
Come dice il nome stesso, l’ecografia è praticamente la medesima tecnica usata dai pipistrelli per uno scopo diverso: visualizzare l’immagine degli organi interni tramite l’analisi dell’eco di ritorno.
Il suono dei pipistrelli e dell’ecografia
Ciascun suono ha due caratteristiche fondamentali:
1. Frequenza
2. Intensità
Cos’è la frequenza? Immaginiamo di essere seduti al pianoforte; premendo i tasti all’estrema sinistra si percepiscono suoni comunemente riconosciuti come bassi e cupi, all’estrema destra come alti, acuti e pungenti. La differenza essenziale tra i suoni prodotti è proprio la frequenza. Questa quantità fisica si misura in Hertz (Hz) e, ad esempio, la nota emessa premendo il primo tasto da sinistra del piano è caratterizzata da una frequenza di 27 Hz, mentre quella generata dall’ultimo a destra ha frequenza pari a 4180 Hz. L’essere umano è capace di udire suoni con frequenza tra i 20 Hz e i 20 kHz. Si dicono infrasuoni e ultrasuoni i rumori aventi frequenza rispettivamente al di sotto e al di sopra della banda udibile
Il concetto di intensità è ancor più comune. È, per fare un esempio, identificabile nel linguaggio comune con il volume del televisore: più esso è alto, più il suono viene percepito, viceversa più è basso, più risulta debole il suono all’orecchio dell’ascoltatore. L’unità di misura dell’intensità è il deciBel (dB). I pipistrelli utilizzano, per muoversi nell’oscurità, ultrasuoni; allo stesso modo in medicina vengono sfruttate tecnologie ad ultrasuoni per vari scopi che saranno analizzati più avanti.
L’utilità degli ultrasuoni
Perché i pipistrelli si servono proprio degli ultrasuoni per “ecolocalizzare”? I motivi
sono principalmente quattro:
1. Per non confondere l’eco con rumori provenienti da altre sorgenti naturali. Infatti in genere i suoni naturali non sono così acuti e il pipistrello sa discernere così il suono che esso stesso ha prodotto dagli altri;
2. Per non scambiare il proprio eco con quello prodotto da altri pipistrelli nelle vicinanze. Difatti i suoni ad alta frequenza sopravvivono per piccoli tratti in aria. Ad esempio un suono con frequenza pari a 30 kHz si estingue quasi completamente dopo una decina di metri di propagazione. In questo modo il pipistrello udirà solo gli ultrasuoni generati dal proprio eco, senza interferenze con quelli originati da altri pipistrelli nei paraggi;
3. Per non farsi scoprire dalle prede, generalmente insetti, che, come l’uomo, non sono in grado di sentire gli ultrasuoni;
4. Perché più è alta la frequenza del suono, più esso permette di “vedere” anche minuscoli ostacoli. In altre parole, emettendo suoni cupi, il pipistrello non capterebbe le piccole prede nelle vicinanze.
È quest’ultima la ragione per cui vengono impiegati gli ultrasuoni nelle tecnologie mediche: Per avere immagini degli organi interni con la migliore risoluzione possibile. Cioè, allo stesso modo in cui il pipistrello ha bisogno di scovare i piccoli insetti, il Dottore desidera vedere, nel modo maggiormente dettagliato possibile, la struttura interna che si sta esaminando.
L’attenuazione dell’intensità
Tuttavia, l’utilizzo di ultrasuoni a frequenza troppo alta, sarebbe totalmente vano, in quanto essi durerebbero per tratti troppo brevi da permettere per intero il percorso di andata e ritorno (questo è invece un vantaggio per i pipistrelli, il secondo dell’elenco). Più precisamente questo problema è detto attenuazione dell’intensità. La sua comprensione è più semplice di quanto possa apparire, basti pensare alla seguente evidenza di tutti i giorni: Capita di sentire la voce di un amico, seppur sia molto lontano, se a quest’ultimo gli si attribuisce solitamente una voce molto “bassa”. Tecnicamente infatti funziona proprio così, cioè le voci caratterizzate da bassa frequenza sono quelle più penetranti, e, contrariamente al preconcetto comune, quelle più acute lo sono meno e sono perciò udibili solo nelle vicinanze. In termini numerici, per avere una visualizzazione quantitativa nel quotidiano, la frequenza fondamentale durante una conversazione è mediamente compresa tra 70 e 150 Hz per una voce maschile, tra 150 e 250 Hz per una voce femminile, tra 250 e 350 Hz per una voce di bambino. Rilevata questa complicazione, si stabilisce, caso per caso, la frequenza ideale per procedere con l’ecografia al particolare organo, ovvero quella che massimizza la risoluzione dell’immagine minimizzando l’attenuazione dell’intensità.
L’ecografia
L’ecografia è una tecnica non invasiva che sfrutta gli ultrasuoni al fine di ottenere immagini degli organi interni del corpo. Principalmente viene usata come esame diagnostico di primo livello, cioè il primo a cui viene sottoposto il paziente nel sospetto di una patologia. Spesso tale indagine risulta esaustiva, ma, in caso siano necessari ulteriori accertamenti che richiedano una migliore risoluzione dell’immagine, si adoperano metodiche di secondo livello, quali TC (Tomografia Computerizzata) e/o RM (Risonanza Magnetica). Viene preferita l’ecografia, come controllo di base, in quanto essa viene riconosciuta come una procedura innocua, nel senso che, non facendo uso, a differenza di TC e RM, di radiazioni ionizzanti, ma di ultrasuoni, non risulta dannosa per i tessuti biologici. Per questa ragione l’ecografia è diventata lo strumento principale per monitorare l’andamento delle gravidanze. A seconda del motivo e dell’organo per cui è richiesta, l’ecografia può essere:
– esterna: la sonda, responsabile dell’emissione degli ultrasuoni, è posta
esternamente, sulla pelle del paziente;
– interna: la sonda è inserita nell’organo;
– endoscopica: la sonda è collegata a un tubo sottile e flessibile (endoscopio) che
viene inserito nell’organismo.
L’ecografia, anche detta ecosonorografia, è inoltre usata per guidare il chirurgo durante alcuni interventi. Grazie ad essa si può indagare l’intero corpo umano, ad eccezione dello scheletro, e con dei limiti per polmone e intestino. Genericamente si adottano ultrasuoni nella banda di frequenza tra i 2 MHz e i 15 MHz, selezionando la frequenza adatta per ciascun organo di riferimento, scelta in modo da ottimizzare la risoluzione dell’immagine rispetto al problema dell’attenuazione dell’ampiezza. Ad esempio si impiegano ultrasuoni con frequenza di 3-5 MHz per analizzare gli organi addominali, mentre di 7,5 MHz per tessuti superficiali quali tiroide, mammella e scroto
Funzionamento
La sonda
Gli ultrasuoni vengono generati all’interno di una sonda che viene fatta scorrere durante l’esame sulla pelle del paziente, lubrificata tramite l’applicazione di un gel a base d’acqua. In genere, all’interno della sonda vengono adoperati cristalli di quarzo o alcuni tipi di ceramiche per la loro proprietà di deformarsi elasticamente, producendo vibrazioni ad alta frequenza, e quindi generando ultrasuoni, quando sottoposti a un’appropriata tensione elettrica (effetto Lippmann, o effetto piezoelettrico inverso). Tale sonda, anche detta trasduttore, è anche responsabile della rilevazione dell’eco di ritorno, tramite effetto piezoelettrico, ovvero la proprietà del cristallo di generare una tensione elettrica quando sottoposto a deformazione meccanica; quest’ultima nel caso in questione viene causata dall’urto degli ultrasuoni di ritorno sul materiale. Così gli ultrasuoni vengono immediatamente convertiti in segnali elettrici, e tramite un computer, elaborati e trasformati in immagine sul monitor in tempo reale.
Il viaggio del suono
Il gel a base d’acqua viene interposto tra sonda e pelle per evitare la formazione di sacche d’aria, che attenuerebbero drasticamente l’intensità degli ultrasuoni emessi, ancor prima di essere entrati nel segmento anatomico in osservazione. La grandezza fisica che caratterizza il passaggio del suono attraverso un corpo è detta impedenza acustica. Essa rappresenta la resistenza intrinseca della materia ad essere attraversata da onde sonore. Più il materiale è denso, maggiore è la sua impedenza acustica, così i vari tessuti del corpo umano sono caratterizzati da diversi valori di impedenza acustica. Ad esempio, aria e acqua sono contraddistinte da una bassa impedenza acustica, il grasso fegato e i muscoli da un valore medio, le ossa da uno alto. Quando il suono giunge alla superficie di contatto, detta interfaccia, che separa due materiali caratterizzati da impedenza acustica diversa, esso viene in parte riflesso, cioè rimbalza sull’interfaccia e torna indietro (si tratta dell’eco) , e in parte trasmesso, ovvero passa all’interno del secondo mezzo. L’attenuazione di intensità è maggiore tanto più è la differenza di impedenza tra i mezzi a contatto; in altre parole il suono di ritorno proveniente dalle ossa è più intenso di quello proveniente dalla superficie del tessuto.
Visualizzazione dell’organo
La valutazione del tempo di ritorno consente al computer di calcolare la profondità da cui è giunto l’eco. Questo valore, insieme all’intensità del suono, consente di determinare la struttura interna dell’organo in indagine. Esistono diversi modi di visualizzazione di quest’ultima, il più comune è il B-Mode (Brightness Mode, modulazione di intensità). Si tratta di una rappresentazione bidimensionale che offre l’immagine della sezione dell’organo in esame, dove, ogni eco è presentato come punto luminoso la cui tonalità di grigio è proporzionale all’intensità dell’ultrasuono riflesso sull’interfaccia. Così appariranno di colore bianco i bersagli molto densi, come le ossa o i calcoli, e di nero le strutture ricche di acqua. Solitamente si sfrutta l’ecografia B-Mode dinamica (real time), grazie alla quale l’immagine viene continuamente ricostruita (più di 15 scansioni complete al secondo) fornendo una visualizzazione dell’organo in tempo reale
La fisica del suono
È stato spiegato in linea generale il funzionamento dell’ecografia usando, tramite esempi nel quotidiano, il senso comune del suono e di sue alcune essenziali proprietà.
Per una più profonda comprensione, è giusto domandarsi esattamente di cosa si tratti e perché gli ultrasuoni assumano determinati comportamenti, dati per scontato nella spiegazione del funzionamento dell’ecografia.
Quando si fa vibrare la corda di una chitarra, essa mette automaticamente in oscillazione le particelle d’aria circostanti. Lo spostamento delle particelle ha così provocato una zona di maggiore compressione dell’aria, che subito si rilassa e torna rarefatta dopo aver trasmesso il movimento alla zona d’aria adiacente. Il risultato è la propagazione nell’aria di un’onda di pressione.
Per capirci con un esempio più concreto, basti pensare a delle comuni onde del mare; in questo caso ciò che si propaga a causa degli spostamenti delle molecole d’acqua, e oscilla, è l’altezza della zona d’acqua.
Nel quotidiano si parla di oscillazione quando si pensa al movimento periodico, ad esempio di un bambino sull’altalena. Se si dice che il bambino compie un’oscillazione in mezzo (½) secondo, allora potremo dire che il bambino compie 2 oscillazioni al secondo. Il primo dato è l’equivalente in fisica del periodo dell’oscillazione: ogni quanto, temporalmente parlando, l’onda si ripete uguale a sé stessa; il secondo è esattamente l’inverso (nell’esempio ½ è l’inverso di 2), ed è detto frequenza dell’oscillazione. Quest’ultima quindi rappresenta quanto velocemente nel tempo la perturbazione si ripete uguale a sé stessa.
In fisica per onda si intende una perturbazione che si propaga non solo nel tempo ma anche nello spazio. Si dice lunghezza d’onda “ogni quanto”, in termini di distanza, la perturbazione si ripete uguale a sé stessa. Per capirci, fatta una foto di un’onda del mare dall’alto, la lunghezza d’onda è la distanza tra due picchi consecutivi dell’onda. Lunghezza d’onda e frequenza sono quantità strettamente collegate tra loro. Difatti se l’onda si muove con una certa velocità, e si attende un tempo pari al suo periodo, essa dovrà percorrere, per definizione, una distanza pari alla sua lunghezza d’onda: (Lunghezza d’onda) = (velocità dell’onda) x (periodo) da cui, ricordando che la frequenza è esattamente l’inverso del periodo si ha che la lunghezza d’onda è inversamente proporzionale alla frequenza.
L’alta frequenza per avere immagini ad alta risoluzione
Perché i suoni ad alta frequenza danno una migliore risoluzione dell’immagine? Ora che si ha maggiore consapevolezza di cosa sia il suono e la frequenza, possiamo capire perché gli ultrasuoni consentono ai pipistrelli di individuare insetti di piccole dimensioni. Per “vedere” oggetti attraverso il suono, bisogna indagare con onde sonore di lunghezza minore o uguale alle dimensioni dell’oggetto, in modo da apprezzarne il dettaglio. Dunque bisogna usare onde di piccola lunghezza d’onda, ma essendo quest’ultima inversamente proporzionale alla frequenza, è chiara la necessità di utilizzare onde sonore di elevata frequenza, gli ultrasuoni. Ad esempio, un suono di 100 kHz ha una lunghezza d’onda di 3.4 mm, mentre uno di 10 kHz è caratterizzato da una lunghezza d’onda di 34 mm.
La vita delle alte frequenze
Perché le alte frequenze sono poco penetranti, e cioè muoiono dopo aver attraversato piccoli tratti. Perché invece i suoni profondi a bassa frequenza si propagano per percorsi più lunghi dei suoni acuti? Si tratta di un risultato dei modelli teorici, che può dirsi atteso secondo il seguente ragionamento intuitivo che lega il significato di frequenza di un’onda alla risposta del materiale.
I suoni a bassa frequenza oscillano “più lentamente”, per cui danno al materiale in cui si propagano il tempo per trasmettere “per bene” la perturbazione al resto del mezzo. I suoni ad alta frequenza invece, hanno carattere più impulsivo e vengono perciò assorbiti dal mezzo in cui si propagano, “morendo” così anche dopo brevi tratti.
Il ruolo dell’elettricità nell’ecografia
Stiamo davvero vedendo solo attraverso il suono? In realtà, sia per quanto riguarda i pipistrelli che per l’ecografia, i segnali iniziali e finali sono elettrici. Gli ultrasuoni vengono emanati dal pipistrello solo dopo l’arrivo dell’impulso elettrico proveniente dal cervello; gli ultrasuoni sono generati nel trasduttore grazie all’applicazione di una tensione elettrica ai capi del cristallo. Quando la sonda rileva l’arrivo dell’eco lo fa tramite segnale elettrico prodotto dall’effetto piezoelettrico; allo stesso modo il pipistrello avverte la sensazione uditiva dell’eco di ritorno solo dopo che esso è stato tradotto in segnale nervoso per il cervello. L’elettricità si rivela essenziale per la tecnologia ecografica. Essa consente di consegnare al calcolatore delle buone informazioni riguardo l’interno dell’organo. Di per sé l’eco di ritorno perde molta intensità rispetto a quella dell’ultrasuono iniziale, principalmente perché:
– Nella fase di riflessione, l’eco di rimbalzo è meno intenso del suono incidente, in quanto l’energia di quest’ultimo viene spartita tra onda riflessa e onda trasmessa. Questo fenomeno diviene evidente per gli ultrasuoni provenienti dalle superfici più acquose dell’organo (La poca differenza di impedenza acustica tra l’interno dell’organo e la parete fa sì che l’ultrasuono riflesso sia molto poco intenso).
È quindi necessario che il trasduttore sia collegato a dispositivi elettronici in grado di amplificare il segnale prima di consegnarlo ai sistemi di elaborazione e quindi di presentazione. Non solo, infatti:
– Durante il tragitto di andata e ritorno va considerata la forte attenuazione
dell’intensità, rilevante per le onde di alta frequenza. Questo problema è palese
per gli ultrasuoni che colpiscono le pareti più distanti dell’organo;
Dal momento che gli ultrasuoni provenienti da punti più lontani impiegano più tempo
per raggiungere la sonda, si fa uso di amplificatori il cui guadagno aumenti al
passare del tempo (nel modo opportuno), detti T. G. C. (Time Gain Compensation).
Con questo congegno si riesce infine a amplificare gli echi e compensare le perdite di
intensità degli ultrasuoni provenienti dalle zone maggiormente profonde dell’organo.
Ci siamo chiesti…
“Come fanno i pipistrelli ad individuare le prede durante la caccia notturna? Nel corso di una classica ecografia in gravidanza è possibile visualizzare l’immagine del feto tramite uno strumento posto sulla pelle del paziente, come è possibile?”
La risposta è…
I pipistrelli “gridano” continuamente, in particolare emettono ultrasuoni (onde sonore ad alta frequenza). Queste, quando urtano sulle prede, rimbalzano su di esse e tornano indietro sotto forma di eco. Valutando il tempo di ritorno del suono all’orecchio del pipistrello, quest’ultimo è in grado di localizzare l’insetto, anche se di piccolissime dimensioni.
Allo stesso modo, durante un’ecografia, la sonda emette ultrasuoni, questi rimbalzano sul feto e tornano indietro, venendo rilevati e trasformati in segnale elettrico. Una volta amplificato da opportuni dispositivi elettronici, quest’ultimo viene elaborato dal computer che, calcolando il tempo di viaggio e l’intensità dell’eco, permette di visualizzare sul monitor, attraverso una scala di grigi, la struttura del feto in tempo reale.
Lo sapevi che…
In medicina ci sono molte altre tecnologie basate sugli ultrasuoni. Rimanendo in ambito diagnostico si ricorre all’ecografia doppler, che sfrutta l’effetto doppler delle onde sonore, per valutare, ad esempio, la velocità con cui si muovono i globuli rossi, e quindi monitorare il flusso del sangue nei vasi sanguigni. Gli ultrasuoni hanno anche importanti applicazioni terapeutiche: ad esempio per la cura di tendiniti o per frammentare i calcoli, per la loro dissoluzione e successiva espulsione.
a cura di Giuseppe Mansi
