Ultrasuoni: dall’imaging fetale alla caratterizzazione in situ dei tumori

Ultrasuoni: dall’imaging fetale alla caratterizzazione in situ dei tumori

Bentornati con il terzo articolo della mia rubrica MedIm. Oggi parliamo di ultrasuoni, la tecnica di imaging più amata dalle future mamme 😉 Ma l’ultrasonografia non si limita alle ecografie fetali. Vediamo di capire cosa possiamo fare con queste onde sonore così particolari. Buona lettura!

Ultrasuoni. Letteralmente la parola significa “al di là del suono”. In effetti, se consideriamo la parola “suono” come un qualcosa di udibile da noi umani, la definizione calza. Infatti, qui abbiamo a che fare con una tecnica di imaging che non utilizza una banda dello spettro elettromagnetico, bensì sfrutta delle onde meccaniche sonore con frequenze superiori a quelle udibili da noi essere umani.
Per cercare di capire a grandi linee come funzionano gli ultrasuoni, immaginiamo due persone che parlano separate da un muro. I due probabilmente riescono a comunicare, fintanto che il muro è ragionevolmente sottile e finché è fatto in legno o mattoni. Ma se il muro fosse più spesso e costruito in piombo? E’ probabile che la voce non riesca ad attraversarlo. In quest’ultimo caso possiamo grossolanamente affermare che l’onda sonora impressa dalla voce finisce in parte assorbita dal muro, ed in parte viene riflessa. La persona che ha parlato non riesce a percepirla perché la parte di voce riflessa dal muro viene propagata in tutte le direzioni. Diverso sarebbe se provasse a parlare trovandosi all’interno di una campana di ottone. In questo caso la geometria particolare della campana farebbe sì che tutte le onde sonore riflesse convogliassero verso il centro, rendendosi udibili dalla persona che ha parlato (il famoso fenomeno dell’eco). E’ proprio il fenomeno dell’eco (ovvero la parte di onda sonora che viene riflessa quando incontra un ostacolo) che viene utilizzato in ultrasonografia.

Per ottenere le immagini del corpo umano si utilizza una sonda costituita da particolari cristalli ceramici messi tutti in fila. Questi cristalli sono in grado di convertire la corrente elettrica con la quale è alimentata la sonda in vibrazioni meccaniche che, una volta a contatto con i tessuti biologici, generano ultrasuoni che si propagano all’interno del corpo. Ogni volta che incontrano un ostacolo (o meglio, che attraversano l’interfaccia tra due tessuti diversi cambiando quindi il mezzo in cui si propagano), queste onde sonore si dividono in due parti: una trasmessa (ovvero, che entra nel tessuto di ostacolo e ne esce attenuata) e una riflessa che torna indietro alla sonda. Col termine interfaccia intendo qualunque superficie in comune tra due o più tessuti diversi che sono adiacenti o sovrapposti l’uno all’altro (pelle e fluidi, muscoli e ossa, e così via). Dato che il corpo umano è una macchina basata sulla sinergia dei singoli componenti, quasi ogni organo o tessuto è a contatto con almeno un altro. Gli ultrasuoni, passando attraverso una di queste interfacce (e dunque cambiando il loro mezzo di propagazione, ad esempio da muscolo a osso), vengono in parte riflessi sotto forma di echi che tornano alla sonda. Maggiore è la differenza di proprietà acustiche dei due mezzi di propagazione all’interfaccia, maggiore l’intensità dell’eco riflesso. Misurando le intensità di tutti gli echi generati al di sotto della sonda da diversi organi e tessuti, ecco che otteniamo l’immagine a ultrasuoni.

Quindi, in parole povere, ogni volta che gli ultrasuoni passano da un tipo di tessuto ad un altro essi generano un segnale riflesso, la cui intensità varia in base alle proprietà dei due tessuti stessi. Ad esempio, ossa e tessuti molli riflettono in modo molto diverso gli ultrasuoni, il che genera un’onda riflessa che ritorna alla sonda piuttosto intensa alla loro interfaccia. Da un lato siamo in grado di vedere le ossa, ma dall’altro non saremo in grado di vedere quasi nessuna struttura al di sotto di esse, in quanto il segnale trasmesso (ovvero quello che non viene riflesso ma attraversa invece l’osso) avrà intensità molto ridotta. Ecco perché gli ultrasuoni si utilizzano prevalentemente in distretti corporei che non contengono ossa importanti, ad esempio l’addome o la tiroide. Piccola curiosità: l’aria riflette quasi al 100% gli ultrasuoni: dunque è fisicamente impossibile ottenere un’immagine ad ultrasuoni dei polmoni.
Oltre alle classiche ecografie, vale la pena nominare almeno altre due varianti: l’eco Doppler e l’ultrasonografia con mezzo di contrasto (CEUS). Entrambe risultano molto utili per studiare il flusso del sangue all’interno dei vasi e, in alcuni casi, anche all’interno di tumori. Possiamo dunque osservare se sono presenti occlusioni o placche all’interno dei grossi vasi sanguigni, e possiamo migliorare la diagnostica tumorale. Approfondiamo un attimo questo secondo aspetto.
I tumori solitamente si formano a partire da cellule staminali latenti adulte che tutti noi possediamo nel nostro corpo. Spesso restano inerti tutta la vita, ma in alcuni casi (stimoli esterni e fattori genetici sono solo due delle molte possibili cause) si differenziano in cellule tumorali, che formano poi masse tumorali e, se si aspetta troppo, metastasi che si diffondono nel resto del corpo attraverso i sistemi circolatorio e linfatico. Una delle cose che distingue (a grandi linee) una massa benigna da un tumore maligno è il bisogno di crescere. Quest’ ultimo, infatti, vuole colonizzare il nostro corpo: è un po’ come avere un altro organismo all’interno del nostro che lotta per prevalere. Ma, a qualunque organismo (aerobico) servono due cose per crescere: ossigeno e nutrienti. E come può un cancro ottenere queste due cose? La risposta è un po’ allarmante: dal nostro stesso sistema circolatorio. Noi nutriamo e cresciamo il nostro tumore. Le cellule cancerose infatti secernono dei fattori di crescita che stimolano la produzione di nuovi vasi sanguigni, che serviranno a nutrire la massa maligna. Ora, se da un lato il settore delle bionanotecnologie sta studiando modi per inibire la nascita di questi nuovi vasi (e quindi fermare la crescita del tumore), dall’altro possiamo sfruttare questa caratteristica dei tumori maligni (ovvero la “matassa” di intricati vasi sanguigni che li circondano e li penetrano) per diagnosticarli in fase precoce. Studiando il flusso sanguigno (o del mezzo di contrasto) con l’eco Doppler o con il CEUS possiamo non solo trovare il tumore, ma anche avere un’idea sulla sua presunta malignità. Facendo ancora un altro step possiamo utilizzare algoritmi di elaborazione e analisi di immagini per ottenere una vera e propria mappa di tutti i vasi sanguigni del tumore, calcolare il numero di tutte le ramificazioni, la tortuosità, il numero di letti vascolari (tutti fattori di malignità), e rendere ancora più accurata la diagnosi (ma questo è, per il momento, ancora in fase di ricerca).
Vi ho raccontato tutto ciò perché, di solito, quando si pensa agli ultrasuoni viene in mente solo l’imaging fetale. Esso è sicuramente l’applicazione per eccellenza di questa tecnica di imaging, ma il campo di applicabilità dell’ultrasonografia si estende dall’imaging muscolare a quello vascolare, dall’addome alla prostata e al seno e ad altri distretti ancora. E, come abbiamo visto, può essere molto utile nell’identificare problemi cardio-circolatori e tumori.

Ora che vi ho annoiato con molti dettagli tecnici e fisiologici, ecco che arriva il “take home message” di questo articolo: gli ultrasuoni sono radiazioni non ionizzanti, e dunque sono completamente sicuri per qualunque tipo di paziente. Persino il mezzo di contrasto è innocuo, ed è smaltito rapidamente senza richiedere lavoro extra a fegato o reni. Detto questo, mi permetto di dare un altro piccolo consiglio personale (dopo lo scorso articolo forse ci ho preso gusto): future mamme, fate sempre tutte le ecografie in gravidanza. Certo, rimettetevi sempre al consiglio del medico (che io non voglio e soprattutto non posso sostituire) ma, fino a prova contraria, il feto non corre alcun rischio.
Alla prossima con un altro articolo!

Marco Caballo

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Marco Caballo

Marco Caballo

Sono un giovane ingegnere biomedico con un master in medical imaging. Lavoro nel campo del medical image computing, un settore che si occupa principalmente di progettare e sviluppare algoritmi e strumenti software per la diagnostica tumorale. Sono determinato, ambizioso e metto passione e entusiasmo in quello che faccio. Credo nella scienza e nell’innovazione, e credo non vi possa essere soddisfazione più grande del lavorare per qualcosa più grande di noi, per qualcosa che può davvero migliorare la salute e la qualità di vita a milioni di persone. Per questo sono diventato un ingegnere biomedico, e non avrei potuto fare una scelta migliore.
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