Dai primi impulsi agli ultrasuoni 3D: la nascita e l’evoluzione dell’ecografia

Tecnologia non invasiva, precisa e in continua evoluzione, l’ecografia ha rivoluzionato la diagnostica clinica moderna. Il suo utilizzo è oggi imprescindibile in numerose specialità mediche, permettendo di acquisire immagini tridimensionali molto dettagliate del corpo umano e di altre specie animali.

Le origini e i primi tentativi

Gli iniziali approcci teorici all’ecografia risalgono al XVIII secolo, quando il fisico e biologo italiano Lazzaro Spallanzani studiò il comportamento dei pipistrelli. Osservò che questi animali riuscivano a volare orientandosi perfettamente anche in totale assenza di luce.

Attraverso una serie di esperimenti, dedusse che i pipistrelli si orientavano grazie all’udito, ipotizzando l’esistenza di un meccanismo di percezione spaziale basato sugli echi sonori, oggi noto come eco-localizzazione. Questo principio rappresentò il punto di partenza per altri studiosi che lo applicarono secoli dopo per lo sviluppo di tecnologie più complesse come l’ecografia e il sonar.

Cento anni più tardi, nel 1880, i fratelli Pierre e Jacques Curie analizzarono un fenomeno fisico rivoluzionario: l’effetto piezoelettrico. Videro che alcuni cristalli, come il quarzo, erano in grado di generare una carica elettrica se sottoposti ad una pressione meccanica. Inversamente, applicando una corrente elettrica, quei cristalli vibravano producendo onde meccaniche, incluse onde sonore ad alta frequenza.
Questa scoperta diede inizio alla generazione e produzione di ultrasuoni, elemento fondamentale nel funzionamento dei trasduttori ecografici. Ancora oggi l’effetto piezoelettrico viene utilizzato in ecografia moderna per captare gli echi acustici e trasformarli in immagini diagnostiche.

Gli sviluppi moderni

Nel 1940, il fisico americano Floyd Firestone ideò il Supersonic Reflectoscope, il primo dispositivo a ultrasuoni per l'eco-imaging, inizialmente destinato a rilevare difetti interni nelle fusioni metalliche.

I primi tentativi di applicare gli ultrasuoni in medicina si ebbero negli anni successivi, inizialmente con scopi terapeutici (come la diatermia). Tra il 1941 e il 1942, il neurologo austriaco Karl Theo Dussik, in collaborazione con il fratello fisico Friedrich, fu tra i primi studiosi a ottenere immagini ultrasoniche del corpo umano, delineando i ventricoli cerebrali.

Sempre verso la fine degli anni ‘40, il medico George Ludwig applicò per la prima volta al corpo umano l’energia ultrasonica presso il Naval Medical Research Institute di Bethesda, nel Maryland. Nello stesso periodo, anche il fisico di origine inglese John Wild utilizzò gli ultrasuoni per valutare lo spessore del tessuto intestinale.

La svolta negli anni ’50 e ’60

Nei primi anni ’50 l’ecografia iniziò a diventare sempre più comune in ambito ospedaliero, anche grazie all’introduzione della cosiddetta modalità A (Amplitude Mode). Questa tecnica permette la visualizzazione degli echi ultrasonori come picchi verticali su un grafico orizzontale, dove l'altezza del picco rappresenta l'intensità dell'eco, la sua posizione e la profondità della struttura. Sebbene fornisse informazioni unidimensionali, la modalità A fu fondamentale per la localizzazione di strutture e la misurazione di distanze.

Negli anni '60 emerse successivamente la modalità B (Brightness mode) o bidimensionale, per la quale ogni eco veniva visualizzato come un punto la cui luminosità era proporzionale all'intensità dell'eco. La scansione sequenziale del trasduttore permetteva di ottenere immagini in sezione del corpo. Il lavoro di Ian Donald e Tom Brown in Scozia con i primi prototipi clinici portò alla visualizzazione di masse addominali e alla diagnostica ostetrica, aprendo nuove opportunità nella medicina.

Negli anni ’70 vennero introdotti i primi apparecchi a tempo reale (real-time) che permettevano di ottenere immagini dinamiche, rendendo l’esame ecografico più rapido e interattivo. Questa caratteristica contribuì all’accettazione diffusa dell’ecografia come metodo di imaging di prima linea.

In Italia, ad esempio, si registrò un incremento dell’uso dell’ecografia del +350% tra il 1975 e il 1985, soprattutto in ambito ostetrico e internistico.

L’avvento del Doppler e del Color Doppler

A partire dagli anni ’80, l’ecografia si è estesa anche in ambito addominale, cardiologico (con l’ecocardiografia), muscoloscheletrico e vascolare, grazie a miglioramenti nella qualità dell’immagine e alla possibilità di misurare i flussi ematici con il Doppler.

Il Doppler pulsato permette di analizzare il flusso sanguigno in tempo reale. L’innovazione successiva è stata il Color Doppler, che sovrappone un'informazione cromatica all'immagine bidimensionale in scala di grigi, codificando la direzione e la velocità media del flusso. Questa evoluzione è stata fondamentale nella diagnosi di stenosi arteriose, trombosi venose, insufficienze valvolari, e anche in ostetricia per lo studio della circolazione feto-placentare.

Il mercato globale dell’ecografia con Doppler è stato valutato a 3,35 miliardi di dollari nel 2023 e si prevede che raggiungerà i 5,0 miliardi di dollari entro il 2032, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 4,56%.

L’ecografia tridimensionale e 4D: nuove frontiere diagnostiche

Negli ultimi vent’anni sono state introdotte le tecnologie 3D e 4D che hanno radicalmente cambiato la visualizzazione delle strutture anatomiche. L’ecografia 3D consente di ricostruire un’immagine volumetrica a partire da sezioni bidimensionali, mentre la modalità 4D aggiunge la dimensione temporale, mostrando in tempo reale i movimenti del feto o delle strutture esaminate.

Oggi, oltre il 60% dei centri ginecologici avanzati in Europa utilizza sistemi 3D/4D per la valutazione morfologica fetale e per la diagnosi precoce di anomalie. Gli ospedali rappresentano i principali utilizzatori di queste apparecchiature, detenendo circa il 50% della quota di mercato.

Ecografia portatile e point-of-care: la nuova era della diagnostica immediata

Lo sviluppo dell’ecografia portatile e dei dispositivi connessi a smartphone o tablet ha reso possibile l’utilizzo dell’ecografia bedside, ovvero anche al di fuori dell’ambiente ospedaliero.

Questa rivoluzione ha un impatto clinico rilevante, soprattutto in pronto soccorso, terapia intensiva e medicina generale, dove l’ecografia Point-of-Care (POCUS) consente diagnosi più rapide. Secondo uno studio pubblicato su Critical Care Medicine (2020), l’utilizzo della POCUS ha infatti ridotto i tempi diagnostici del 40% nei pazienti critici rispetto all’approccio tradizionale.