Gli effetti biologici degli ultrasuoni
Gli ultrasuoni sono diventati uno strumento essenziale nella pratica medica sia in campo diagnostico che terapeutico. Tuttavia, la loro interazione con i tessuti biologici è un aspetto complesso che richiede una comprensione approfondita per garantirne un utilizzo sicuro ed efficace. In questo articolo esploreremo quali sono gli effetti biologici degli ultrasuoni e capiremo il motivo per cui l’ecografia diagnostica sia considerata una metodica d’indagine estremamente sicura.
Quando un fascio ultrasonoro si propaga nell’organismo interagisce in maniera complessa con le strutture profonde. In particolare, gli ultrasuoni vengono attenuati man mano che progrediscono nei tessuti. Questo significa che l’ampiezza dell’onda sonora diminuisce e “perde” progressivamente energia. Questo fenomeno è dovuto principalmente a tre modalità di comportamento dei suoni quando interagiscono con le strutture organiche:
- L’assorbimento: parte dell’energia sonora viene catturata dai tessuti ed è convertita in calore.
- La riflessione speculare: parte delle onde sonore, interagendo con delle strutture ampie e lisce, vengono riflesse in modo speculare.
- Lo scattering (o dispersione): parte delle onde sonore, interagendo con delle strutture di piccole dimensioni, vengono riflesse in modo casuale e si disperdono in tutte le direzioni.
I principali effetti biologici degli ultrasuoni sono riconducibili essenzialmente all’energia meccanica trasferita dall’onda ultrasonora ai tessuti e che si traduce in produzione di calore e in movimento delle particelle.
I dispositivi medici che utilizzano gli ultrasuoni possono essere classificati in due categorie:
- Strumenti con finalità diagnostiche
- Strumenti con finalità terapeutiche
Sebbene entrambi questi apparecchi utilizzino gli ultrasuoni, la differenza è notevole poiché i parametri di utilizzo differiscono profondamente. Gli strumenti con finalità diagnostiche, a cui appartengono gli ecografi che utilizziamo in ecografia ginecologica, sono progettati con il fine di minimizzare gli effetti biologici degli ultrasuoni sulle strutture biologiche. I dispositivi con finalità terapeutiche, viceversa, prevedono che gli effetti benefici siano dipendenti proprio dalla interazione degli ultrasuoni con le strutture dell’organismo. È molto importante sapere che i parametri di utilizzo dei dispositivi con finalità terapeutiche sono estremamente diversi da quelli che hanno finalità diagnostiche e differiscono principalmente nell’intensità acustica e nella durata degli impulsi ultrasonori. La pressione acustica espressa dal fascio ultrasonoro di un litotritore utilizzato per frantumare i calcoli è decisamente più potente rispetto a quella che caratterizza un ecografo ad uso diagnostico.
L’intensità acustica è la misura dell’energia (espressa in Watt) che interagisce con una superficie (espressa in centimetri quadrati). A titolo di esempio, per comprendere le proporzioni, nei protocolli sperimentali che indagano gli effetti biologici degli ultrasuoni sui tessuti dell’organismo, si utilizzano ultrasuoni ad alta intensità (> 2 W/cm²). I dispositivi medici ad uso terapeutico si servono di impulsi ultrasonori con un’intensità compresa tra 0,08 e 0,5 W/ cm² mentre in quelli con finalità diagnostiche, l’intensità acustica oscilla tra 0.25 W/cm² nel doppler e 0.02W/cm² nell’ecografia B-mode in real-time. Ne consegue che gli strumenti che comunemente usiamo in ecografia ginecologica buiatrica lavorino con ultrasuoni caratterizzati da un’intensità acustica 100 volte più debole di quelli usati in condizioni sperimentali. Un minimo di attenzione andrebbe posta quando si ricorre all’uso del doppler in quanto questo tipo di strumentazione si serve di un fascio ultrasonoro decisamente più potente rispetto all’ecografia classica B-mode in real-time. In questo caso è sufficiente avere cura che il tempo di esposizione agli ultrasuoni delle strutture più sensibili, come l’embrione o il feto, sia ridotto al minimo indispensabile.
Gli effetti biologici delle onde ultrasonore sui tessuti organici possono verificarsi attraverso meccanismi fisici termici e non termici.
EFFETTI BIOLOGICI TERMICI DEGLI ULTRASUONI
L’assorbimento dell’onda sonora esita in una conversione di parte dell’energia meccanica in energia termica che viene trasferita ai tessuti. L’aumento della temperatura indotto dagli ultrasuoni dipende da una serie di fattori che possiamo distinguere in:
Fattori inerenti ai tessuti:
- Coefficiente di assorbimento: i tessuti rigidi come l’osso tendono ad assorbire ultrasuoni in maniera molto più marcata rispetto ai tessuti molli e quindi risentono maggiormente dei bioeffetti del fascio ultrasonoro.
- Impedenza acustica: i tessuti caratterizzati da una maggiore densità tendono ad esprimere una maggiore resistenza al passaggio degli impulsi ultrasonori e quindi favoriscono la conversione dell’energia meccanica sonora in energia termica.
- Livello di perfusione ematica: le strutture particolarmente irrorate di sangue sono caratterizzate da un’impedenza decisamente minore, inoltre il flusso ematico contribuisce ad allontanare il calore prodotto dall’interazione con gli ultrasuoni.
Fattori inerenti alle caratteristiche del fascio ultrasonoro:
- Pressione acustica: è la forza con cui un impulso ultrasonoro preme contro una superficie ed è direttamente proporzionale all’intensità acustica.
- Durata dell’impulso: questo parametro indica quanto dura, in termini di tempo, un impulso ultrasonoro. La durata dell’impulso determina gli effetti biologici termici sui tessuti poiché incrementa la potenza acustica, cioè la quantità di energia che insiste su una struttura biologica in funzione del tempo. La potenza acustica si misura in Watt per secondo (W/s). Maggiore sarà il tempo di interazione dell’impulso con una struttura organica, maggiore sarà la quantità di energia meccanica sonora trasformabile in calore.
- Frequenza di ripetizione dell’impulso: questo parametro indica il numero di impulsi ultrasonori che la sonda ecografica trasmette ai tessuti in un secondo. Vale lo stesso discorso fatto per la durata dell’impulso, ovvero un maggior numero di impulsi nell’unità di tempo si traduce in un aumento della quantità di energia meccanica sonora potenzialmente trasformabile in calore.
A questo punto vediamo in che modo l’aumento della temperatura potrebbe provocare dei danni a livello degli organi e tessuti. La salute della cellula dipende essenzialmente dalle reazioni chimiche che avvengono al suo interno. Queste reazioni biochimiche sono regolate principalmente dalle attività degli enzimi che, a loro volta, dipendono dalla temperatura. Un aumento della temperatura coincide con un aumento proporzionale delle reazioni enzimatiche. Per esempio, la maggior parte delle reazioni enzimatiche aumenta di un fattore 3 quando la temperatura aumenta di 10° centigradi. A livello organico, però, quando la temperatura raggiunge e supera i 45°C gli enzimi si denaturano e le proteine possono coagulare. Questo comporta dei danni molto gravi a livello cellulare proporzionali alla temperatura raggiunta e al tempo di esposizione al calore.
EFFETTI BIOLOGICI NON TERMICI DEGLI ULTRASUONI
I bioeffetti degli ultrasuoni prevedono anche dei meccanismi non termici: la cavitazione acustica è sicuramente l’effetto non termico più conosciuto. Essa avviene nel momento in cui il fascio ultrasonoro interagisce con delle microbolle di gas. In condizioni naturali le microbolle gassose si ritrovano soprattutto nel tessuto polmonare e nell’intestino. È molto raro che altri tessuti presentino microbolle. Le microbolle possono essere introdotte intenzionalmente nei tessuti come mezzo di contrasto. Ad esempio, è descritta una metodica di ecografia ginecologica per valutare la pervietà delle salpingi attraverso l’introduzione nel lume di un medium contenente microbolle.
Quando una microbolla viene esposta ad un fascio ultrasonoro comincia ad oscillare espandendosi e contraendosi. La cavitazione acustica può essere classificata in due tipi: cavitazione stabile e cavitazione inerte. La cavitazione stabile si verifica quando le microbolle oscillano in modo regolare, senza collassare. Quando la pressione acustica è sufficientemente elevata, l’espansione può superare il doppio del raggio e la microbolla rapidamente collassa (cavitazione inerte). Nel momento del collasso possono svilupparsi condizioni che portano a temperature e pressioni particolarmente elevate in un piccolo volume. Questo provoca un danneggiamento delle strutture organiche vicine e la produzione di grandi quantità di radicali liberi. I danni tissutali da cavitazione inerte dipendono quindi dagli effetti meccanici e termici, in seguito al violento collasso delle microbolle, e dalla liberazione di radicali liberi, in particolare ROS (Reacting Oxygen Species).
In conclusione, gli effetti biologici degli ultrasuoni sono reali e possibili ma per poter avvenire è necessario che siano rispettate alcune condizioni, in particolare un’intensità acustica elevata associata ad un tempo di azione prolungato sulle strutture organiche. Gli ecografi moderni, soprattutto i dispositivi B-mode in tempo reale, progettati per un uso diagnostico, utilizzano impulsi ultrasonori caratterizzati da una quantità di energia particolarmente ridotta, del tutto insufficiente a provocare degli effetti biologici apprezzabili. Un minimo di attenzione va posta invece con il doppler. Questo tipo di strumenti utilizzano degli ultrasuoni caratterizzati da un’intensità acustica maggiore per cui è prudenziale limitare l’indagine allo stretto necessario in termini di tempo soprattutto nei confronti di strutture particolarmente vulnerabili come l’embrione o il feto.
