Elettrofisiologia e Bioingegneria
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Date |
Scoperte, |
Intuizioni, leggi
fisiche, |
Applicazioni |
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Cinquanta (Europa, Stati Uniti, Giappone) |
Hanno inizio le applicazioni mediche dell'ecografia, una tecnologia ad ultrasuoni derivata dai sonar usati nella seconda guerra mondiale per individuare i sottomarini. Gli ultrasuoni (suoni di frequenza superiore al limite di udibilità dell'orecchio umano) hanno frequenza compresa fra 2,5 e 10 MHz | In trasmissione gli ultrasuoni sono emessi da un cristallo piezoelettrico che trasforma le variazioni della corrente elettrica in variazioni delle onde acustiche. Gli ultrasuoni che attraversano la regione in esame sono riflessi ai confini fra tessuti diversi e danno origine ad echi. In ricezione il trasduttore trasforma gli echi in segnali elettrici che vengono elaborati e visualizzati su schermo video |
Le prime applicazioni mediche degli ultrasuoni riguardano l'Ostetricia e la Ginecologia. Il trasduttore a cristallo piezoelettrico è posto sopra la parte del corpo da visualizzare. L'informazione è presentata da indicatori a raggi catodici analoghi a quelli dei primi sonar |
| A destra sono mostrate due presentazioni tipiche: nella presentazione A, gli echi sono rappresentati da deflessioni verticali della traccia del pennello elettronico; in quella panoramica (PPI-Plan Position Indicator), dalla luminosià della traccia in corrispondenza di ogni eco ricevuto |
Il picco all'estremità di sinistra della traccia di base corrisponde all'impulso trasmesso dal sonar; esso è seguito da echi indesiderati (clutter), dovuti a irregolarià prossime al trasmettitore, e poi dagli echi prodotti dagli effettivi ostacoli incontrati dal fascio di ultrasuoni
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Il sonar è immaginato al centro dello schermo; il pennello elettronico compie, istante per istante, la propria scansione nella direzione corrispondente a quella del fascio di ultrasuoni | |
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1951 |
A Denver, nell'Università del Colorado, Douglass Howry e Joseph Homless, con gli ingegneri William Roderic Bliss e Gerald J. Posakony, realizzano un sistema a ultrasuoni, immerso in acqua e dotato di indicatore PPI | ||
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1951 |
Utilizzando tecniche a ultrasuoni, il medico inglese John Julian Wild, immigrato negli Stati Uniti, riesce a distinguere i tessuti cerebrali afflitti da tumori da quelli sani |
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1951 |
Con il ciclotrone dell'università di Uppsala, Lars Leksell e Borje Larsson concentrano fasci di protoni, provenienti da diverse direzioni, su piccole aree del cervello di animali, riuscendo così a distruggere regioni ben delimitate senza danni gravi ai tessuti circostanti | Leksell e Larsson sviluppano il concetto di radiochirurgia, una disciplina che abbina la radiologia e la chirurgia nella diagnosi e nella terapia | |
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1951 |
Benedict Cassen costruisce il primo scanner lineare a radioisotopi. L'immagine planare viene ottenuta facendo compiere al rivelatore una scansione meccanica sull'area d'interesse. La natura sequenziale della scansione rende molto lunghi i tempi di acquisizione dell'immagine | ||
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1952 |
Paul Zoll dell'Università di Harvard progetta un pacemaker che permette di regolare il battito cardiaco |
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il primo pacemaker viene installato all'esterno del corpo del paziente David Schwartz |
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1952 |
Hal Anger comincia a sviluppare, presso l'università della California, la gamma camera (o camera a scintillazione, o Anger camera) in grado di rivelare i raggi gamma, cioè i fotoni gamma, emessi per effetto del decadimento spontaneo di materiali radioattivi | I raggi gamma sono onde elettromagnetiche come le onde radio, le microonde, la luce e i raggi X e sono caratterizzati da una frequenza più alta quella dei raggi X | |
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1953 |
Utilizzando ultrasuoni alla frequenza di 15 MHz, John Julian Wild e l'ingegnere elettrotecnico John Reid ottengono immagini in tempo reale di un cancro, del diametro di 7 mm, alla mammella | Wild e Reid, del National Cancer Institute, sono i primi a usare il termine ecografia per indicare le analisi ad ultrasuoni | |
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1954 |
Douglass Howry e il suo gruppo realizzano il somatoscopio, un sistema a ultrasuoni motorizzato. Il trasduttore, si muove, lungo un percorso circolare, sul bordo di una vasca piena d'acqua ed è in grado di eseguire scansioni composite dell'organo in esame | ||
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1954 |
Modificando opportunamente un rivelatore a ultrasuoni dei difetti presenti nei metalli, Inge Edler e Hellmuth Hertz riescono a registrare i movimenti delle valvole cardiache | ||
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1955 |
Il primo intensificatore d'immagini a raggi X viene realizzato combinando una telecamera televisiva e un monitor | ||
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1955 |
Le piezoceramiche di bario e di zirconato titanato permettono di realizzare nuovi trasduttori piezoelettrici più piccoli ed efficienti di quelli tradizionali | ||
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1957 |
Il radiologo Douglass Howry, del Veteran 's Administration Hospital, promuove lo sviluppo di strumenti a ultrasuoni di tipo pan-scanner, nei quali il trasduttore ruota attorno al paziente seguendo un arco semicircolare |
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1957 |
Tom Brown e Ian Donald realizzano il prototipo di uno scanner composito a contatto con presentazione PPI | ||
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1958 |
Per ottenere mappe bidimensionali dell'attività elettroencefalografica (EEG ), W. Grey Walter, fisico e ingegnere, realizza il toposcopio, un apparecchio dotato di ventidue tubi a raggi catodici, collegati ad altrettante coppie di elettrodi a contatto del cranio | ||
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1958 |
Ian Donald dell'università di Midwifery pubblica sulla rivista "The Lancet" un articolo sugli studi di masse addominali con impulsi a ultrasuoni |
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1958 |
(Il computer, che raccoglie, tramite i circuiti logici, i segnali d'uscita dei fotomoltiplicatori, costruisce l'immagine dell'organo in esame e la presenta sullo schermo di un monitor) | ||
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1958 |
Per evitare le ustioni prodotte dagli elettrodi cutanei di alimentazione dei pacemaker, o, in alternativa, il rischio di infezioni lungo i conduttori che alimentano il pacemaker attraverso la pelle, Rune Elmqvist progetta un pacemaker impiantabile. Il pacemaker contiene un generatore di impulsi a transistori alimentato da pile a nichel-cadmio | Il
pacemaker è impiantato dal cardiochirurgo Ake Senning nel torace di un
paziente di 43 anni, Arn Lasson, soggetto a blocchi cardiaci molto
frequenti e ormai in pericolo di vita. Dopo l'operazione il paziente non
ha complicazioni e può condurre una vita attiva
normale
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1958 |
Dopo un triennio di ricerche, presso l'università di Osaka, nel campo delle microonde e degli ultrasuoni, Shigeo Satomura presenta, in una riunione della Japan Acoustic Society, la relazione "Study of blood flow in vessels by ultrasonics" sull'analisi del flusso sanguigno mediante ultrasuoni | ||
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1959 |
Donald Baker, Dick Ellis e Dean Franklin realizzano un flussimetro a impulsi di ultrasuoni che misura la velocità del sangue, in base alla differenza di tempo di transito di due impulsi elettrici trasmessi lungo il vaso sanguigno |
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Il flussometro è installato sulla parete di un vaso sanguigno di un animale |
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Ultimi anni Cinquanta |
Sono realizzati i primi endoscopi flessibili a fibre ottiche. Il fascio di fibre è dotato, ad una estremità, di una lente, che funziona da oculare, e di un dispositivo di comando; l'altra estremità (la "punta" dell'endoscopio) illumina la cavità e può essere dotata di diversi accessori, secondo le operazioni da eseguire | ||
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1960 |
Wladimir Liberson progetta il primo stimolatore portatile per il trattamento dell'arto inferiore di pazienti affetti da paralisi parziale e apre la strada allo sviluppo della stimolazione elettrica funzionale (FES-Functional Electrical Stimulation) | In assenza del controllo nervoso di un muscolo, la tecnica FES consente di provocarne ugualmente la contrazione al fine di ottenere il movimento funzionale desiderato | |
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1960 |
Ali
Javan , William R. Bennet, Jr., Donald R. Herriot inventano il
laser a
elio-neon, in grado di generare un fascio continuo di luce
alla lunghezza d'onda di 1,15 mm. Il laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) è una sorgente luminosa che emette un fascio di luce coerente (luce monocromatica con banda di lunghezze d'onda molto stretta e coerenza di fase fra le onde emesse) |
L'emissione spontanea di luce da parte dei diversi atomi di una sorgente luminosa tradizionale (ad esempio una lampada elettrica) è un fenomeno statistico aleatorio perché i fotoni di luce emessi non sono in relazione di fase fra loro. Nel caso invece dell'emissione coerente, tutti gli atomi della sorgente luminosa generano onde della stessa lunghezza e in fase fra loro (cioè tutte le creste delle onde sono allineate fra loro) | L'invenzione del laser apre la via allo sviluppo di tutte le tecnologie optoelettroniche, dove la luce coerente è trattata e utilizzata come ogni altra onda elettromagnetica coerente. Esso troverà applicazione nelle terapie sia a bassa che ad alta intensità (sfruttando il fatto che il fascio laser recide con estrema precisione i tessuti e nello stesso tempo fa coagulare il sangue) |
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1961 |
Tom Brown e Ian Donald realizzano una sonda a ultrasuoni con indicatore PPI, commercializzata come Diasonografo ®. I due trasduttori (di trasmissione e di ricezione) della sonda sono montati sul letto del paziente. La sonda può essere mossa in senso verticale e orizzontale e può ruotare attorno al suo asse |
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Primi anni
Sessanta |
Si sviluppano i primi apparecchi diagnostici a ultrasuoni | Gli ultrasuoni, emessi da un trasduttore piezoelettrico, penetrano nel corpo del paziente e, dopo essere stati riflessi dagli organi interni, sono raccolti da un secondo trasduttore piezoelettrico che esegue l'operazione inversa, convertendo gli ultrasuoni in segnali elettrici. L'informazione raccolta tramite gli ultrasuoni è elaborata a computer e presentata su un monitor | Gli esami ad ultrasuoni non arrecano danni all'organismo e sono quindi largamente utilizzati nella costruzione di immagini diagnostiche dinamiche |
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1961 |
Presso l'ospedale dell'università del Minnesota, William Oldendorf inizia ad usare radioisotopi nello studio del cervello e getta le basi della tomografia computerizzata |
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1962 |
Ian Donald mostra che si possono ottenere echi di ultrasuoni provenienti dalla testa di un feto | Ian Donald mette a punto, assieme al fisico Tom Duggan, un metodo standard di misura della testa di un feto per valutare la grandezza e la crescita dello stesso feto. Il nuovo metodo è denominato cefalometria o craniometria |
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1962 |
Realizzato uno scanner con trasduttore posizionabile dall'operatore, William Wright e Edward Meyers costituiscono la società Physionics Engineering che produce il primo scanner composito a braccio orientabile manualmente, dotato, ad ogni giunzione, di meccanismi di posizionamento | ||
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1963 |
David E. Kuhl e R. Q. Edwards presentano le prime immagini tomografiche, ottenute mediante una gamma camera | ||
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1963-64 |
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Con due lavori pubblicati nel 1963-64, il fisico statunitense Allan M. Cormack, Istituto di Fisica della Tufts University ( Medford), propone una funzione matematica bidimensionale in grado di descrivere l'attenuazione subita dai raggi X, attraversando le diverse regioni di una sottile "fetta" del sistema biologico in esame | Gli studi teorici di Cormack non trovano applicazione immediata in campo medico probabilmente a causa dell'insufficiente capacità di memoria dei computer dell'epoca. Solo nel 1979 sarà assegnato a Cormak e a Hounsfield il premio Nobel per il loro contributo allo sviluppo della tomografia assistita da computer |
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1964 |
D. Eugene Strandness Jr, dell'università di Washington, descrive i primi segnali ricavati da misure di flusso sanguigno eseguite con strumenti utilizzanti l'effetto Doppler |
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1964 |
W.L. Johnson e Robert Rushmer riferiscono sulla rivelazione delle pulsazioni cardiache di un feto con un doppler a onda continua | ||
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1965 |
W. Krause e R. Soldner progettano il Vidoson, un apparecchio ad ultrasuoni costruito dalla Siemens Medical Systems. Il Vidoson è dotato di 3 trasduttori ruotanti, alloggiati davanti a uno specchio parabolico e produce 15 immagini al secondo. Ogni immagine è composta di 120 righe | ||
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1966 |
H.W. Burns, H.B. Schumacker e R.J. Loubier progettano un cuore artificiale di tipo elettroidraulico, con motore elettrico alimentabile da batterie contenute nella pompa. Il motore trascina una micropompa che immette il fluido alternativamente nell'intercapedine tra ciascuno dei ventricoli e la parete del contenitore, comprimendo la sacca corrispondente |
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1967 |
Paul Lauterbur , dell'Università dell'Illinois, intuisce che la risonanza magnetica può essere usata per costruire immagini |
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1968 |
Lars Leksell realizza il bisturi a raggi gamma, un dispositivo dotato di un certo numero di sorgenti di cobalto radioattivo |
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1968 |
Godfrey N. H. Hounsfield, della Ditta EMI, brevetta il primo tomografo assiale computerizzato che entra in produzione, con il nome EMI-scanner, a metà degli anni Settanta |
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Fine
anni Sessanta |
Micheal Mirowski sviluppa un defibrillatore compatto, adatto ad essere impiantato nel corpo umano per assicurare una continua sorveglianza e, se necessario, un'appropriata terapia shock | ||
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1969
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Si tiene il primo congresso mondiale di diagnostica a ultrasuoni in medicina | ||
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1969-1973 |
Presso l'Istituto Ultrasonico di Sydney, il fisico George Kossoff e il ginecologo William Garrett sviluppano un'apparecchiatura ad ultrasuoni dotata di un convertitore di immagini "a scala di grigi" | La tecnica "a scala di grigi" (serie di sfumature dal nero al bianco) migliora la descrizione degli organi interni, presentando sul monitor anche l'informazione relativa alla diversa intensità degli echi ricevuti (rappresentata dalla maggiore o minore luminosità della traccia del pennello elettronico) | |
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Primi anni
Settanta |
Si
verificano vari sviluppi tecnologici. Nell'ecografia ha inizio l'evoluzione dal trasduttore piezoelettrico singolo (spostato manualmente per eseguire la scansione dell'organo in esame) alle schiere di trasduttori con scansione comandata elettronicamente |
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| La rapidissima evoluzione della microelettronica permette di realizzare amplificatori di alte prestazioni contenuti in involucri di dimensioni sempre più piccole e alimentabili, ove necessario, da pile e accumulatori | |||
| Primi anni Settanta (Stati Uniti) |
Le soluzioni analogiche tradizionali di diagnostica medica vengono trasformate gradualmente in digitali, adattando opportunamente i convertitori analogico-digitali, sviluppati per le telecomunicazioni | ||
| I sistemi di tomografia computerizzata (CT) cominciano a svilupparsi lungo tre diverse linee basate rispettivamente: sull'assorbimento di raggi X, sulla risonanza magnetica nucleare (NMR) e sull'emissione di fotoni (SPECT e PET) | |||
| Nella tomografia assiale computerizzata (TAC), i raggi X, che attraversano l'organo in esame, sono raccolti da un rivelatore a scintillazione che invia il segnale d'uscita a un computer per la ricostruzione, su monitor, della "fetta" trasversale di interesse |
Immagine TAC di una sezione del cervello |
La TAC a raggi X viene eseguita dopo aver iniettato per via endovenosa un mezzo di contrasto che rende r re visibile all'esame radiologico tessuti sufficientemente vascolarizzati | |
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1971 |
Utilizzando dispositivi elettronici a stato solido,
Robert W. Silverman e Donald Jenden realizzano un circuito adatto ad
amplificare i segnali di pochi microvolt generati dalle attività
biologiche. Si apre così la strada allo sviluppo di numerose applicazioni del concetto di "Biofeedback", concepito nel 1944 |
 Robert W. Silverman |
 Donald Jenden |
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1971 |
Loize Vodovnik, fondatore del Rehabilitation Engineering Center (REC) di Lubiana, pone le basi della stimolazione elettrica funzionale (SEF) che ha lo scopo di provocare, tramite stimoli elettrici, la contrazione di un muscolo, anche se privato del normale controllo nervoso, al fine di ottenere un movimento funzionale utile | Applicazioni della SEF:
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1973
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Presso la Washington University in St. Louis hanno inizio le applicazioni della tomografia a emissione positronica PET (Positron Emission Tomography). Questa tecnica diagnostica fornisce immagini tridimensionali dell'attività metabolica e chimica degli organi allo studio | La tecnica PETsi basa sulla rilevazione - tramite una gamma camera - delle coppie di fotoni emesse dai positroni liberati da radioisotopi (carbonio 11, azoto 13 ecc.) precedentemente iniettati nell'organo da esaminare. L'informazione ricavata dai fotoni è elaborata da un computer che la usa per costruire l'immagine dinamica di interesse | La tecnologia PET è applicata all'analisi delle regioni cerebrali nel corso dello svolgimento di funzioni superiori. Infatti, quando un'area cerebrale è attiva, aumenta il flusso sanguigno che l'alimenta e, di conseguenza, anche l'emissione dI fotoni gamma. La risoluzione spaziale è di circa 1 cm (in qualche caso può arrivare anche a 1 mm) |
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1973 |
Il chimico Paul Lauterbur pubblica sulla rivista "Nature" l'articolo "Image formation by induced local interaction" con la prima immagine da lui ottenuta utilizzando la risonanza nucleare |
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1974 |
Ha inizio la produzione commerciale dei primi strumenti doppler a impulsi. Questi strumenti misurano la velocità del flusso di un fluido in base all'effetto doppler | ||
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1974 |
Il medico Raymond Damadian osserva che nei tessuti dei campioni affetti da tumore, il tempo di decadimento dei radioisotopi iniettati è notevolmente più alto che nei tessuti normali. |
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La visualizzazione mediante risonanza magnetica permette di costruire immagini lungo qualsiasi piano ed è particolarmente utile per lo studio del cervello e del midollo spinale. Essa permette di evidenziare i tumori e di dare immagini molto precise delle strutture interne dell'occhio e dell'orecchio |
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1974 |
Frank Barber e Fritz Thurstone, della Duke University realizzano uno scanner a ultrasuoni di tipo duplex, dove la velocità del flusso sanguigno è determinata in base all' l'effetto Doppler, cioè misurando la differenza fra la frequenza degli echi ricevuti e quella degli impulsi ultrasonori trasmessi. Lo scanner è dotato di convertitori digitali e, come trasduttore in trasmissione/ricezione (sonda) è usata una schiera di elementi regolati in fase |
Esame di un'arteria femorale, sul retro del ginocchio. La velocità del flusso sanguigno è mostrata in un quadro (selezionabile sul monitor) ed è misurata tramite allineamento di un cursore. Le pareti vicina e lontana dell'arteria sono indicate da due serie di piccole frecce | |
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1975 |
Frank Barber, Fritz Thurstone e David Philips pubblicano le prime immagini di flusso ottenute con scansioni Doppler a colori, |
Nel Doppler a colori, sull'immagine a scala di grigi viene posizionato un quadro al cui interno viene sovrapposto colore su tutti i punti dove lo scanner rileva la presenza di strutture mobili (ad esempio, sangue). I colori indicano il verso e il valore della velocità del sangue |
Rosso, arancione e giallo indicano che il flusso è in allontanamento dalla sonda (al rosso corrispondono velocità più basse), il blu e il verde indicano che il flusso sanguigno è in allontanamento (al blu corrispondono velocità più basse) |
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Esame di un'arteria sul retro del ginocchio. La brusca transizione dal giallo al verde è causata dal superamento del valore di fondo scala della velocità del sangue |
Il colore, che riempie il vaso sanguigno, mostra che il sangue si muove verso destra fino alla parete del vaso sanguigno. Un significativo aumento della velocità del sangue, determinato dal restringimento di un'arteria è messo in evidenza dal fenomeno di "aliasing" che si verifica quando la velocità del sangue supera il fondo scala. (Lo strumento interpreta una velocità elevata in una direzione come una velocità bassa nella direzione opposta). | ||
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