Echipamentul ecografic este alcatuit în esenta dintr–o unitate centrala, un monitor si din transductor (transductoare) (fig. 1.).

Fig.  1. Echipament ecografic (unitatea centrala cu tastatura, display, transductoare)

 1. Unitatea centrala

Aceasta contine mai multe componente importante, printre care se afla:

- receptorul reprezentand un sistem multicanal de preluare si amplificare a semnalelor electronice de mica amplitudine de la nivelul cristalelor piezo – electrice si de filtrare a acestora înainte de intrarea în procesor;

- sincronizatorul principal responsabil pentru  asigurarea riguroasa a timpilor de emisie si de receptie a ultrasunetelor;

- generatorul de unde (“beam former”) – controleaza secventa de activare a cristalelor electrice (unele se activeaza individual, altele în grupuri) si moduleaza amplitudinea  impulsurilor electrice (în functie de aceasta se obtine o intensitate mai mare sau mai mica a vibratiei cristalului piezo – electric);

- procesorul de semnal digital (“digital signal processing”) – blocul care controleaza functionarea ecografului  avand functia de conversie a semnalulului analog în digital, transformarea semnalelor digitale cu ajutorul transformarilor Fourrier ceea ce permite realizarea unei rate mari de succesiune a imaginilor (de peste 25 de cadre/secunda), generarea si stocarea imaginilor într – o memorie dedicata, pentru a permite prelucrarea ulterioara, generarea de semnale de comanda si fluxuri de date catre modulurile Doppler (pulsat, docificat color, continuu) pentru obtinerea imaginii în formele respective;

- conectorul sondei (sondelor) reprezentand un sistem de legatura complex dintre sonda si ecograf responsabil pentru transmisia semnalului electronic înspre sonda/receptor si  pentru recunoasterea automata a  tipul de sonda (echipamentele mici au 1 – 2 astfel de conectoare; echipamentele mari au 4 conectoare care pot sa fie preselectate de la nivelul tastaturii);

- tastatura reprezentand o interfata om – masina (fig. 2.).

Fig. 2. Tastatura unui echipament ecografic conventional, avand aplicatii clinice numeroase.

Se observa o aranjare “ordonata” a diferitelor taste.  Tastatura centrala este folosita pentru introducerea datelor pacientilor, unele taste avand functie dubla. Exista cursoare (functia TGC), butoane rotative (pentru functia “gain”, CFM), taste pentru selectia marcajului de masurare (“caliper”) precum si pentru functia “escape” (iesire din functia existenta sau din meniu). Butonul negru este un “track ball” care ajuta la miscarea facila a diferitelor simboluri pe ecran. Butonul “freeze” (dreapta jos) se utilizeaza pentru activarea/dezactivarea echipamentului.

Tastatura are configuratia unei masini de scris, avand taste cu functii în general multiple. Rolul tastaturii este acela de a scrie in format inteligibil în memoria procesorului date referitoare la pacient (nume, prenume, sex, data nasterii etc etc).

Alaturi de tastatura se mai gasesc butoane care au functia de reglare a intensitatii fasciculului de ultrasunete, a sensibilitatii globale a echipamentului la ecouri (functia “gain”), de selectare a modului de lucru (2D = bidimensional, în scara gri; PW = pulsat, spectral; CFM = colour flow map; PD = modul power etc), de reglare a castigului de ecouri de la nivele predefinite (TGC = time gain compensation), de masurare pe regiunea de interes (informatia obtinuta este exprimata în milimetri, de calcule de distante, suprafete si volume în cmc, etc).

De pe tastatura se porneste/opreste emisia de ultrasunete (functia “freeze”). Selectia transductorului se poate face cu un buton distinct sau de pe ecranul ecografului cu ajutorul instrumentului denumit “trackball” a carui functionare este similara cu cea de la calculatoarele PC.

 2. Monitorul (display – ul)

Monitorul constituie elementul de reprezentare a informatiei ecografice în format specific. Aspectul sau este dreptunghiular, la o dimensiune variabila, în functie de echipament. Pe laturile monitorului, se dispun difuzoare, pentru analiza acustica a semnalulului Doppler, în cazul echipamentelor care au aceasta functie.

 3. Transductorul

Este piesa esentiala a ecografului, responsabila pentru generarea de ultrasunete si receptia de ecouri (fig. 3.).

Fig. 3. Transductor, utilizat pentru diagnosticul ecografic.

Se poate observa suprafata activa de forma dreptunghiulara (este folosit pentru explorarea cordului prin spatiile intercostale), cablul de legatura si conectorul (de culoare neagra, prin care se face conexiunea transductorului la ecograf.

La nivelul transductorului se realizeaza conversia semnalului electric în vibratie si invers. Acest fenomen se datoreaza cristalelor piezo – electrice care intra în alcatuirea transductorului (fig. 4).

Fig. 4. Reprezentarea schematica a unui transductor.

Piesa principala a transductorului este cristalul piezo – electric care prin expunere la diferente de potential electric rezoneaza generand ultrasunete. Intre cristal si suprafata activa se afla lentila care focalizeaza fasciculul de ultrasunete.

3.1. Structura transductorului (notiuni elementare)

Transductorul este alcatuit din cristale piezo – electrice. Un cristal piezo – electric este o structura ce contine titanat de zirconiu, metal care are capacitatea de a genera semnal electric atunci cand este supus unei deformari mecanice. Fenomenul este valabil si în sens invers: expunerea cristalului la o diferenta de potential electric face ca materialul sa se contracte sau relaxeze, în functie de caracterul pozitiv sau negativ al diferentei de potential.

Astfel, cristalul piezo electric devine o sursa de vibratii si implict de unde acustice care vor avea aceeasi lungime de unda cu frecventa semnalului electric la care este excitat. Cristalele piezo – electrice avand un numar de regula multiplu de 16 sunt împachetate într–o carcasa rigida, compusa dintr–o rasina epoxidica impregnata cu tungsten.

Rolul carcasei este acela de a reduce la maximum vibratiile secundare ale transductorului în momentul în care excitarea electrica se opreste. Fiecare cristal este responsabil pentru emisia/receptia unui singur fasciul de US.

Cristalul piezo – electric este conectat prin fire electrice extrem de subtiri cu consola si procesorul. Prin aceste fire se realizeaza excitarea electrica a cristalului si apoi transportul semnalului electric înspre procesor, semnal rezultat la extremitatile cristalului în momentul în care acesta este deformat de ecouri. In interiorul trasductorului cristalele pot avea avea o orientare spatiala variabila în functie de tipul de aplicatie dar grosimea lor este întotdeauna egala cu ½ din lungimea de unda a fasciculului de ultrasunete.

Fiecare cristal piezo – electric (si în final transductorul în totalitate) functioneaza pulsatil avand o emisie scurta si o receptie prelungita, raportul intre cele doua perioade de timp fiind de cca 1:100. Deoarece intervalul de timp necesar receptiei ecourilor este dependent de profunzimea la care se afla tinta (viteza de deplasare a ultrasunetelor în tesuturi fiind o constanta!) pentru leziuni situate profund este necesara o rata a emisiei pulsurilor mai joasa. Acest deziderat se poate realiza prin reglare cu ajutorul tastaturii de pe consola.

3.2. Tipuri de transductoare

Aranjarea cristalelor în interiorul unui transductor se face în forma de “matrice”, de unde si denumirea acestora de transductoare “matriciale” (“array”).  In functie de pozitia elementelor active în interiorul carcasei transductoarele se clasifica în lineare, convexe, anulare (“phased array”). Dispozitia spatiala a cristalelor dicteaza forma imaginii generate de transductor (fig. 5.).

Fig.5. Reprezentare schematica a diferitelor tipuri de transductoare în functie de aranjamentul interior al cristalelor.

Transductorul linear

In acest transductor cristalele sunt dispuse paralel iar excitarea electrica se face succesiv de la un capat la celalat a sondei, cu viteza foarte mare (respectand însa raportul de 1:100 în ce priveste perioada de activare respectiv asteptare) de asa natura încat imaginea la nivelul retinei apare ca fiind dinamica (fig.  6.).

Fig. 6. Transductor electronic linear.

Suprafata de contact este relativ redusa  si plata. Cristalele componente sunt dispuse paralel. Este utilizat pentru explorarea structurilor superficiale.

 Transductorul linear utilizeaza frecvente înalte (7 – 12 MHz sau mai mult) de aceea si fenomenul de atenuare este destul de pronuntat.  Vizualizarea structurilor profunde, la peste 6 cm adancime fata de tegument, nu este posibila cu acest tip de transductor, el fiind folosit numai pentru investigarea structurilor superficiale (denumite în limbaj anglo – saxon “small parts”) cum ar fi glanda tiroida, sanul , scrotul, vasele periferice, ochiul, structurile musculo scheletale.

Transductorul convex

In acest transductor cristalele sunt orientate divergent iar excitarea electrica se poate face individual sau în grup (fig. 7.).

Fig. 7.  Transductor electronic convex.

Este utilizat pentru explorarea structurilor profunde avand aplicatii în principal abdominale.

Frecventa de lucru este mai joasa (2 – 5 MHz) de aceea ele sunt utilizate pentru explorarea structurilor situate în profunzime. Principalele aplicatii ale transductoarelor convexe sunt abdominale si endocavitare. Utilizarea în cazul persoanelor obeze este o alta indicatie a acestor tipuri de transductoare.

Transductorul anular

In cazul transductoarelor anulare, cristalele sunt de asemenea activate în succesiune, dar forma fascicolului si orientarea fiecarei unde de ultrasunete emise de cristale este conditionata de un “reglator” electronic al campului de ultrasunete (fig. 3.2.1). Fasciculul de ultrasunete realizeaza un baleiaj dirijat electronic similar cu cel de la nivelul transductorului mecanic. Fata de transductorul mecanic, cel electronic este mult mai fiabil si are posibilitatea focalizarii multiple, etajate.

Transductorul anular are o suprafata de contact cu tegumentul foarte îngusta dar imaginea la distanta este similara ca deschidere cu aceea a transductorului covex. Acest tip de transductor este folosit pentru explorarea cordului.

Transductorul Doppler

Alaturi de transductoarele electronice, prezentate mai sus, care se folosesc pentru diagnosticul morfologic, în practica mai exista transductoare care exploateaza principiul Doppler. Acesta consta din aparitia unei diferente de frecventa dintre fasciculul emis si cel receptionat, atunci cand un emitator de ultrasunete (în cazul nostru cristalul piezo – electric) este orientat înspre o tinta care se deplaseaza (ex. sangele din cord; din vasele periferice arteriale).

Diferenta de frecventa poate sa fie pozitiva sau negativa (ceea ce sugereaza o apropiere sau o departare de transductor a tintei); de asemenea, diferenta poate sa fie mai ampla sau mai putin ampla (ceea ce sugereaza o viteza mai mare sau mai mic). Informatia obtinuta este calitativa (acustica sau grafica, reprezentata pe ecran) sau cantitativa (în cm/sec sau KHertz).

Transductoarele care functioneaza în regim Doppler sunt de trei feluri: continuu, pulsat, duplex.

Transductorul care lucreaza în regim de Doppler continuu,  este alcatuit din doua cristale piezoelectrice, orientate usor convergent, care functioneaza continuu, unul realizand emisie de ultrasunete, celalalt realizand receptie de ecouri (fig. 8.).

Fig.  8. Transductor folosit pentru explorarea vaselor (modul Doppler continuu).

Acest tip de transductor permite masurarea vitezelor si sensului de deplasare a grupurilor de hematii din interiorul unei coloane de sange. Principala sa limitare o constituie incapacitatea de a preciza pozitia în spatiu a elementului reflectant. Se foloseste pentru explorarea curgerilor din artere si a jeturilor intracardiace (fig. 9.).

Fig. 9. Explorare Doppler continuu.  

Sunt reprezentate vitezele de curgere în interiorul unei cavitati cardiace.

Transductorul care functioneaza în modul Doppler pulsat utilizeaza un singur cristal piezo – electric care emite si receptioneaza ultrasunete prin alternanta. Analiza variatiei Doppler (denumita si “recoltare” de semnal sau “insonatie”) se face dintr–un loc bine definit de catre examinator (denumit “esantion Doppler” sau “poarta” – “gate”). Posibilitatea definirii cu exactitate a locului de recoltare de semnal se datoreaza capacitatii echipamentului de a preselecta semnalele care sunt returnate numai la un anumit interval de timp, celelalte semnale care vin mai devreme sau mai tarziu nefiind luate în considerare.

Fiecare ecou obtinut reprezinta o informatie specifica locului si sensului de deplasare a elementului reflectant (practic un vector de miscare) la un moment dat.  El va fi reprezentat pe  ecran sub forma unui punct stralucitor. Deplasarea ulterioara a elementului reflectant va avea corespondent un alt ecou, de asemenea vizibil pe ecran, miscarea si sensul urmand a avea în final un aspect de curba. O curba Doppler reprezinta practic “istoricul” deplasarii unui element reflectant prin zona de explorare predefinita. Totalitatea ecourilor constituie un “spectru” de viteze de unde si numele dat ecografiei Doppler pulsat de “ecografie Doppler spectral” (Fig. 10.).

Fig. 10. Explorare Doppler pulsat.

Este reprezentat spectrul de viteze la nivelul unei regiuni limitate, selectate de catre examinator. Examinarea demonstreaza o curgere de tip arterial, care prezinta accelerare sistolico – diastolica.

In functie de cum elementul reflectant se apropie sau se departeaza de transductor, curba va avea un caracter pozitiv sau negativ fata de  o linie de referinta (denumita linia de baza – “baseline”).  Amplitudinea fiecarui ecou raportat la aceasta linie este o expresie a vitezei acelui element reflectant la un moment dat.

O alta modalitate de reprezentare a informatiei Doppler pulsat este cea color (“ecografie codificata color” sau “color coded ultrasonography” sau “colour flow map” – CFM). Aceasta se realizeaza prin extragerea concomitenta de informatii nu dintr–un plan (cum este cazul tehnicii spectrale) ci dintr–un  volum predefinit (denumit “esantion de volum”). In acest caz viteza curgerii este o medie a vectorilor de viteza aflati în zona de interes (fig. 11.).

Fig. 11. Explorare Doppler codificata color (CFM).

Culoarea rosie sugereaza apropierea coloanei de sange de transductor.

Metoda CFM este mai putin exacta decat explorarea Doppler pulsat, nefiind cuantificabila, dar suficient de buna pentru a detecta curgerile si sensul acestora. Colorarea vectorilor aferenti grupurilor de hematii aflate în miscare este o conventie.

Astfel, culoarea rosie atentioneaza asupra apropierii curgerii de transductor, culoarea albastra semnifica departarea coloanei sanguine de transductor. Exista nuante mai închise sau mai deshise care semnifica viteze mai mari sau mai mici în cadrul aceleiasi coloane. Vitezele de deplasare apreciate prin tehnica Doppler pulsat sunt limitate fizic de numarul frecventa de repetitie a pulsurilor (PRF).

In anumite situatii, cum ar fi localizarea profunda a vasului sau atunci cand curgerea sanguina este foarte accelerata, apare un fenomen denumit “aliasing”  care nu mai permite examinatorului sa defineasca cu precizie sensul sau viteza de deplasare a elementului reflectant.  Fenomenul se regaseste într–o formula matematica (limita lui Nyquist) care arata ca valoarea maxima masurata în kHz a variatiei de frecventa Doppler masurabila trebuie sa fie mai mica sau egala cu ½ din frecventa de repetitie a pulsurilor (PRF).

In practica se foloseste un hibrid dintre transductoarele prezentate mai sus. Acesta are avantajul ca permite concomitent atat examinarea bidimensionala (“în scara gri”) cat si exaplorarea vasculara la nivelul unor regiuni definite (denumite “regiuni de interes” – ROI).  Informatia Doppler poate sa fie reprezentata în varianta spectrala (cu pozitionarea esantionului Doppler de–a lungul unei linii care strabate imaginea) sau în varianta codificata color (cu pozitionarea esantionului Doppler sub forma unui trapez cu dimensiune reglabila, în care deplasarile si curgerile vor fi colorate).

Transductorul TM

Este o echipament care emite ultrasunetele într–o singura directie iar afisarea ecourilor se face pe un ecran care se deplaseaza cu viteza constanta. Este o modalitate de reprezentare a miscarilor unui organ. Cea mai importanta aplicatie este cardiaca. Tehnica de examinare este utila pentru precizarea particularitatilor de miscare ale diferitelor structuri cardiace (valve cardiace, miocard etc) în raport cu timpul, informatie care se coreleaza cu starea de sanatate sau boala a inimii. Transductorul este tinut nemiscat deasupra regiunii cardiace iar fasciculul este unidimensional (fig. 12.).

Fig.  12. Explorare cardiaca folosind modul M.

Transductorul 3D/4D

este un echipament mai complex avand capacitatea (mecanica sau electronica) de a genera imagini perpendiculare concomitente, cu reconstruirea celui de–al treilea plan si chiar a reprezentarii spatiale, volumetrice a organului examinat (fig. 13.).

Fig. 13. Transductor 3D.

Dimensiunile mai mari si forma rotunjita se datoreaza unei alcatuiri mai complexe care cuprinde, între altele, mai multe cristale piezoelectrice orientate perpendiculare, actionate mecanic.

Este folosit în aplicatii obstetricale, pentru detectarea precoce a anomaliilor fetale sau a sexului fetal (fig. 14.).

Fig. 14. Sarcina în evolutie sapt. 11. Aspect ecografic 3D

Exista transductoare electronice care genereaza imagini 4D (3D “în timp real”). Au la baza o tehnologie foarte complexa si sunt utilizate în principal pentru explorarea cordului pentru confirmarea unor malformatii cardio vasculare (fig. 15.)

Fig. 15. Examinare 4D la nivelul cordului folosind tehnica examinarii “în timp real”.

Transductorul pentru uz endocavitar

poate îmbraca aspecte diferite în functie de aplicatia clinica. Poate sa fie montat pe extremitatea unei tije rigide (fig. 16.) fiind utilizat pentru explorarea pelvisului sau pe extremitatea unui gastrofibroscop (în acest caz este folosit pentru investigarea tubului digestiv superior si pancreasului (fig. 17.).

Fig.16. Transductor endocavitar pentru investigarea pelvisului (aplicatii ginecologice, obstetricale precum si în patologia prostatei).

Fig. 17. Transductor endocavitar pentru explorarea tubului digestiv superior si pancreasului.

Transductorul reprezinta asadar o componenta esentiala a ecografului fiind denumit si sonda de contact pentru ca este aplicata pe regiunea de interes. Functionarea sa consta din activarea succesiva a cristalelor la o rata de baleiaj mai mare de 15 imagini/secunda ceea ce face ca perceptia ochiului sa fie aceea de cursivitate. Cu cat rata de baleiaj a imaginilor este mai mare cu atat senzatia de cursivitate pe care o are examinatorul în timpul explorarii este mai mare. Continuitatea imaginii ecografice este caracterizata prin notiunea de “rezolutie temporala”.

Rezolutia temporala a echipamentului ecografic este limitata de capacitatea fizica a sistemului de genera, receptiona, prelucra si reprezenta semnalele acustice.  Cu cat un echipament este mai performant cu atat rezolutia temporala este mai buna. Acest fenomen poate sa fie deficitar în cazul organelor foarte voluminoase care trebuiesc examinate în totalitate sau în cazul structurilor profund situate care necesita timp pentru receptia ultrasunetelor.

Cresterea numarului de cristale ce intra în alcatuirea transductorului constituie de asemenea un motiv de reducere a rezolutiei temporale prin cresterea timpului necesar procesarii semnalului.

In esenta realizarea unei imagini dinamice la o calitate cat mai buna impune realizarea unui compromis dintre rezolutia temporala si cea spatiala pe care le ofera echipamentul. Acest echilibru este dependent si de experienta examinatorului si se poate face prin  identificarea unei ferestre de acces în care structura de referinta este mai superficial situata precum si prin reducerea unghiului imaginii ecografice, ceea ce permite echipamentului sa concentreze procesul de analiza pe o suprafata mai mica.

Deplasarea transductorului aflat în contact cu tegumentul reprezinta procesul de examinare sau “scanare”. El urmareste identificarea unor imagini sectionale elocvente prentru formularea unui diagnostic.

Ecourile receptionate de catre transductor (respectiv de suma cristalelor piezo – electrice care intra în alcatuirea acestuia!) sunt fundamentale (au aceeasi frecventa cu a fascicolului incident) sau armonice (constituie ecouri returnate de tesuturi avand frecventa superioara celei din fasciculul incident). Ecourile armonice pot sa contribuie la cresterea calitatii imaginii si, respectiv, la reducerea unor artefacte.

Observatii:

O parte semnificativa a acestor informatii fac parte din capitole extrase din cartea “ULTRASONOGRAFIA CLINICĂ A ABDOMENULUI ŞI PELVISULUI”. Radu BADEA, în colaborare cu: Lidia Ciobanu, Monica Lupşor. Ed. Medicala, Bucuresti, 2012, cu acordul editurii.