ecocardiografia

Pierre Curie (Parigi, 15 maggio 1859 – Parigi, 19 aprile 1906)

L’ecocardiografia, così come gli altri campi della diagnostica per immagini – radiologia, risonanza magnetica, medicina nucleare, ecc. – rappresentano un’estensione delle capacità percettive del medico in tutto l’ambito dell’esame obiettivo. Il progresso dell’esame degli organi interni si è sviluppato inizialmente per opera degli stessi medici che hanno elaborato ed inventato le forme tecniche più adatte all’esame fisico. Auenbrugger e Laennec, che hanno proposto la percussione e l’auscultazione mediata come tecnica di indagine dello stato di salute o patologico degli organi interni, erano dei medici. Quando però la medicina ha scoperto le potenzialità di alcuni fenomeni fisici e di alcune nuove scoperte tecnologiche, ha capito e deciso di collaborare in ambito multidisciplinare con queste forme nuove di tecnocrati (i fisici, i chimici, ecc.). In tal modo, come per la farmacologia, anche per la diagnostica per immagini, il XIX secolo rappresenta il punto di svolta per questo nuovo approccio alla diagnosi clinica.
Nel 1880, in Francia, Pierre Curie (il marito di Marie Curie) e suo fratello Jaques scoprirono l’effetto piezoelettrico di alcuni cristalli. Essi osservarono che quando veniva esercitata una pressione meccanica su un cristallo di quarzo quale il sale di Rochelle (sodio potassio tartrato tetraidrato) si produceva un potenziale elettrico e che, al contrario, l’applicazione di una carica elettrica produceva una deformazione del cristallo facendolo vibrare. Tale effetto venne poi utilizzato per la generazione e la riproduzione di ultrasuoni (della frequenza di alcuni milioni di cicli al secondo, i megahertz) negli apparecchi sonografici.

i sonar

I sistemi di rilevazione subacquea vennero sviluppati dopo l’affondamento del Titanic nel 1912 e nella navigazione sottomarina durante la I Guerra mondiale. Tra il 1914 ed il 1918 venne ampiamente utilizzato il SONAR nell’individuazione dei sottomarini germanici. Constantin Chilowsky, un russo emigrato in Svizzera, e Paul Langévin, eminente fisico francese di Parigi, progettarono e costruirono un apparecchio eco-sonoro, che chiamarono “idrofono”, un antesignano degli apparecchi medici a tipo SONAR ad emissione eco-pulsati che sarebbero stati sviluppati in seguito. Nei primi anni trenta, in seguito alle scoperte di Langevin, molti transatlantici francesi vennero dotati di sistemi di esplorazione eco-sonora subacquea. La seconda Guerra Mondiale vide ulteriori sviluppi negli equipaggiamenti radar navali e militari (con l’impiego di onde elettromagnetiche, non ultrasonore) che contribuirono enormemente alla progettazione di SONAR e di apparecchi di esplorazione ultra-sonora.

il reflettoscopio supersonico

Floyd Alburn Firestone (1898–1986) https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/photos/firestone-floyd-a1

Un altro filone nel campo degli ultrasuoni che si sviluppò parallelamente negli anni trenta fu la costruzione di “analizzatori di difetti dei metalli ad ultrasuoni pulsati”, utilizzati soprattutto nel valutare gli scafi di grandi navi e le corazze dei carri armati. Il concetto alla base di tali apparecchiature era stato elaborato dallo scienziato sovietico Sergei Y. Sokolov nel 1928 all’Istituto Elettrotecnico di Leningrado. Pionieri di tali apparecchi furono Floyd A. Firestone dell’Università del Michigan e Donald Sproul in Inghilterra. Firestone, nel 1941 brevettò il suo “reflettoscopio supersonico”. Kelvin e Hughes in Inghilterra, dove lavorava Sproule, produssero anche uno dei primi analizzatori di metalli ad emissione eco pulsata, l’”M1”. La versione tedesca fu prodotta da Josef e da Herbert Krautkrämer a Colonia nel 1949. Tali versioni vennero ben presto migliorate in Germania dalla Siemens ed in Austria dalla KretzTechnik. Successive modifiche permisero l’impiego di frequenze più elevate e di pulsazioni di durata minore, permettendo quindi una migliore risoluzione. La disponibilità poi di amplificatori ad altissime impedenze d’ingresso costruiti con tubi elettrometrici di qualità superiore, nei primi anni ’50, permise agli ingegneri di amplificare i loro segnali con conseguente maggiore sensibilità e stabilità delle apparecchiature commerciali. Tali elettroscopi furono i precursori dei successivi apparecchi medici ultrasonici funzionanti in “A-mode” (unidirezionali) e che vennero usati all’inizio degli anni ’50 da Lars Leksell in Svezia e JC Turner a Londra per lo studio di lesioni cerebrali , e da Inge Edler e Carl Hellmuth Hertz nel 1953 nel primo tracciato cardiaco in M-Mode.
Il principio di funzionamento dei reflettoscopi aveva attirato l’attenzione del Dr Inge Edler riguardo alla sua potenziale applicazione nella visualizzazione delle strutture cardiache. Egli, che era direttore del Laboratorio Cardiovascolare all’Università di Lund, era già consapevole del suo uso nel tentativo di localizzare i tumori cerebrali. Cercando di raggiungere questo scopo, chiese al fisico Carl Hellmuth Hertz (1920-1990), figlio del premio Nobel per la fisica (nel 1925) Gustav, di condurre delle ricerche. Il progetto ebbe inizio con un sonar e con il Dr Hertz che registrava gli echi del suo stesso cuore. Il sito della Lund University afferma che queste prime osservazioni suscitarono un interesse tale che Edler ed Hertz progettarono insieme una versione modificata dello strumento affittato, ed in seguito convinsero una ditta di strumenti elettronici medici a costruirne un prototipo. Questo fu chiamato reflettoscopio ultrasonico”, e per molti anni servì da strumento per l’esplorazione degli echi cardiaci e la loro genesi.
Il sito della Lund University afferma che il reflettoscopio fu prestato ai due ricercatori dalla Siemens, azienda della quale Gustav Hertz era stato direttore del “Research Laboratory” mentre il testo “The History of Cardiology” del professor L. Acierno narra che tale strumento fu preso in prestito da un cantiere navale locale.

A. G. Fraser, dell’Università di Cardiff, riporta che nel maggio 1953 Edler ed Hertz presero a prestito da un cantiere navale una macchina ad ultrasuoni e che, intraviste le promettenti caratteristiche dello strumento, riuscirono ad avere dalla Siemens in ottobre dello stesso anno un nuovo congegno per l’esecuzione dei loro esami.
Il loro primo report comparve nel 1953 e riguardò la registrazione continua dei movimenti delle pareti cardiache. Due anni dopo, Edler ed Hertz descrissero il quadro cardiografico con ultrasuoni nelle malattie valvolari mitraliche. Essi pensavano di aver registrato gli echi provenienti dalla parete atriale sinistra e che i vari pattern di queste registrazioni erano sufficientemente distinte da permettere a loro di diagnosticare la presenza della stenosi mitralica. Ulteriori studi rivelarono che gli echi, in realtà, provenivano dal lembo anteriore della valvola mitralica. Edler, prima da solo e dopo insieme ai suoi colleghi, proseguì gli studi anatomici e fisiologici che dovevano servire ad identificare l’origine dei vari tipi di eco. Nel 1961 essi riportarono uno studio sperimentale che condusse ad una appropriata definizione dei movimenti delle valvole aortiche e mitraliche.
Sebbene fossero passati solo pochi anni tra questo ultimo studio di Edler ed il suo primo articolo del 1954, in questo arco di tempo, la nuova tecnica catturò l’interesse di molti ricercatori europei. Fra questi converti, gli studi più approfonditi furono quelli provenienti dal laboratorio di Effert, in Germania. Egli ed il suo gruppo pubblicarono il loro primo articolo nel 1957 ponendo l’accento sul valore della “cardiografia ultrasonica”. Un altro articolo sul valore diagnostico degli ultrasuoni nelle malattie cardiache fu pubblicato da lui ed un altro gruppo di associati nel 1964. Il team di Effert visitò gli USA agli inizi degli anni sessanta del XX secolo. Fu durante una visita al laboratorio del Dr Claude Joyner (1925-2006) che essi lo convinsero riguardo alle potenzialità cliniche degli ultrasuoni e la loro natura non pericolosa. Joyner era un radiologo, ed unì il proprio interesse a quello di Gramiak, un altro radiologo. Entrambi previdero lo sviluppo della tecnica all’interno dei confini della radiologia. Per anni ci fu un dibattito acrimonioso su chi avrebbe dovuto essere responsabile dell’applicazione clinica dell’ecocardiografia tra i radiologi ed i cardiologi. Questo dibattito alla fine venne risolto in favore dei cardiologi.
L’ecocardiografia venne ritenuta, inizialmente, soprattutto come uno strumento per valutare la stenosi mitralica o diagnosticare i rari casi di mixoma atriale. Gli sforzi pionieristici dei primi ricercatori europei aiutarono a rimuovere questa percezione in America, e la consapevolezza della sua utilità è attribuibile principalmente ai celebri studi di Harvey Feigenbaum. Egli attrasse molti giovani cardiologi nel suo laboratorio al Krannert Institute in Indiana. Egli scrisse il primo testo americano sull’argomento. Questo era un piccolo libro ma ricco d’informazioni, basato principalmente su proprie osservazioni. Sonya Chang fu il suo tecnico durante questi anni formativi, e la qualità del suo lavoro rimane ancora insuperata. Anche lei, in seguito, scrisse un testo di ecocardiografia. Questo era scritto per i suoi colleghi tecnici. Tutti gli echi a quel tempo erano ottenuti con il cosiddetto M-mode. I pattern di tale tecnica non mostravano apparenti relazioni con le forme anatomiche delle strutture cardiache, e questo rende ancor più rimarchevole lo sforzo dei primi studiosi nel collegare gli aspetti ecografici agli eventi fisiologici e fisiopatologici.
I due principali inconvenienti dell’ecocardiografia M-mode, cioè il cosiddetto aspetto “ice-pick” e l’incapacità di visualizzare la vera anatomia, furono superati dall’introduzione di quella che è ora definita “ecocardiografia 2-D”. Un esame M-mode spazialmente orientato può essere ottenuto tracciando elettronicamente l’orientamento spaziale del trasduttore. Questo tipo di approccio fu usato per la prima volta in Giappone. Un altro approccio per la creazione di un immagine bidimensionale è quello che traccia un fascio di ultrasuoni per creare un “B-mode” spazialmente orientato.
Oggi, la scansione B-mode in tempo reale è comunemente chiamata ecocardiografia “cross-sectional” o bidimensionale. Una certa confusione della terminologia è esistita prima dell’adozione di questo termine da parte dell’American Society of Echocardiography. Una delle prime definizioni fu “cinematografia ultrasonica”. Termini favoriti di successivi ricercatori furono “cinecardiografia ad ultrasuoni”, utilizzato da Gramiak, “tomografia ultrasonica” suggerito da Kratochwill ed i suoi associati, “ultrasonocardiotomografia” uno scioglilingua adottato da Ebina, “ultrasonografia cardiaca” offerto da King, e per ultimo “cardiochimografia ultrasonica” avanzato dal gruppo di Nagayama.
Furono sviluppati due tipi di scanner bidimensionali real-time: meccanici ed elettronici. Gli scanner meccanici utilizzavano un motore elettrico per muovere il fascio di ultrasuoni all’interno di un dato angolo. Un altro sistema meccanico che si avvaleva di uno specchio fu sviluppato indipendentemente da A. Asberg nel 1967 ed in seguito da C. Hertz e K. Lundstrom. Entrambi gli approcci non riuscirono a raggiungere nessun successo commerciale ed ora non sono più utilizzati.
Due variazioni degli scanner elettronici real-time vennero introdotti nello sforzo di migliorare lo strumento meccanico. Il primo congegno pratico che divenne commercialmente disponibile fu il trasduttore multi-elementi a disposizione lineare. Il fascio ultrasonico poteva essere mosso in modo lineare attivando gli elementi in maniera sequenziale. Tre gruppi che lavoravano indipendentemente tra loro riportarono le loro esperienze con il trasduttore tra il 1971 ed il 1977. Questi includevano un gruppo di olandesi guidati da N. Bom (1973), J. Yoshikawa ed i suoi associati in Giappone (1977) e il team scandinavo di Pedersen e Northeved (1977).
Lo scanner originale ha subito svariate migliorie. Nonostante questi progressi, il suo principale svantaggio, la necessità di un’ampia finestra acustica, continua ad affliggere l’industria. Dal momento che la sonda è piuttosto grande rispetto alle coste su cui viene posizionata, essa non può essere facilmente angolata sul piano dell’asse di scansione.
L’altro scanner real-time utilizza il principio del ritardo di fase (“phased array”). Questo fu introdotto e sviluppato principalmente da O. T. von Ramm, F. L. Thurstone e Joseph A. Kisslo (1977). Lo scanner utilizza anche un trasduttore multi-elementi che, comunque, crea un singolo fascio elettronico. Ciò era possibile grazie ad un computer o microprocessore che controllava l’invio sequenziale di ogni elemento, e perciò la direzione del fascio ultrasonoro. Tale congegno è diventato il più popolare tra gli scanner real-time.
La tecnologia del ritardo di fase, a causa dell’accesso casuale disponibile attraverso guida elettronica, ha aperto la strada alla registrazione simultanea del Doppler e dell’ecocardiografia bidimensionale.

L’ecocardiografia Doppler è diventata una componente importante per una completa valutazione ecocardiografica. Questa si basa sull’effetto Doppler che fu descritto per la prima volta da Christian Johann Doppler nel 1842. Egli dimostrò che la frequenza del suono riflettuta da un oggetto è alterata se tale oggetto è in movimento. Un esempio può essere rappresentato da una persona che sente una nota più acuta se la fonte del suono si muove verso di lui ed una nota più grave se la fonte sonora si allontana da lui. L’effetto Doppler è, in essenza, tale cambio di frequenza in relazione alla direzione del movimento della sua sorgente. Anche il movimento delle cellule del sangue produce un effetto Doppler sulle frequenze ultrasonore. Il grado e la direzione della variazione di frequenza degli ultrasuoni sono collegati alla velocità e direzione del flusso sanguigno.
Una delle principali limitazioni dell’ecocardiografia Doppler era la sua mancanza di un adeguato display grafico. Questo problema dovette essere superato prima che la tecnica potesse realizzare il suo pieno potenziale come strumento diagnostico non invasivo. Due gruppi di ricercatori, guidati rispettivamente da A N. DeMaria con D. T. Mason (1978) e da C. B Burckhardt (1981), ebbero un ruolo importante nel risolvere il problema introducendo l’approccio della trasformata veloce di Fourier per mostrare in video il segnale Doppler.
Un altro importante sviluppo fu la combinazione dell’ecocardiografia Doppler con quella bidimensionale allo scopo di mappare il flusso di colore. Molto delle ricerche originarie proviene dai gruppi giapponesi guidati da Ryozo Omoto e K. Miytake (1984). Dalla sua introduzione, essa ha goduto di una crescente popolarità nella dimostrazione dei pattern del flusso sanguigno attraverso le camere cardiache, nei vasi sanguigni, sia venosi che arteriosi, ed attraverso gli shunt cardiaci ed extracardiaci.
Anche i computer hanno svolto un ruolo importante nell’evoluzione dell’ecocardiografia. Prima di tutto, lo sviluppo di microprocessori più potenti e capaci di manipolare digitalmente i nuovi convertitori a scansione ha aumentato la qualità dell’immagine in maniera considerevole. I computer introdotti hanno permesso all’ecocardiografia di ottenere una continua immagine cinematografica di ogni singolo ciclo cardiaco e si sono dimostrati formidabili nello scoprire le anomalie del movimento della parete miocardica.
Sebbene l’ecocardiografia sia stata introdotta e pubblicizzata come una procedura accurata, non invasiva e senza rischi, recenti sviluppi hanno visto un suo uso sempre maggiore in ambito invasivo. Piccoli trasduttori sono stati posizionati sulla punta del catetere cardiaco in modo tale da rendere possibile le registrazioni intracardiache. Tale approccio venne riportato dal gruppo di F. Glossman (1981) e C. R. Conti (1979).

M. Schluter ed Hisanga (1982) furono i primi a descrivere l’ecocardiografia transesofagea. Questa tecnica fornisce immagini del cuore non distorte da coste o polmoni. Essi ottennero le loro immagini posizionando un trasduttore bidimensionale su un endoscopio a fibre ottiche. Tale approccio è divenuto rapidamente popolare, e le indicazioni al suo uso continuano ad espandersi.

FONTI
Articolo tratto da: