ultrasound technology and application

1. Ecografe si ultrasunete
Ing. Sebastian Ulmeanu
Iunie 2015@SIEMENS
HEALTHCARE ROMANIA
Notiuni de baza

2. Ecograful
• Este echipamentul care utilizeaza ultrasunetele pentru a genera
imagini in sectiune din interiorul corpului uman (sau animal). Este
un echipament dedicat pentru transmisia si receptia
ultrasunetelor si modificarea, masurarea si stocarea imaginilor
obtinute cu ajutorul acestora.
• Utilizeaza principiul ecolocatiei folosit de lilieci, balene si delfini.
Acelasi principiu este utilizat si de catre hidrolocator sau SONAR
(SOund Navigation And Ranging).
• Cercetarea pentru dezvoltarea acestor echipamente a inceput la
sfarsitul anilor ’40, fiind bazata pe sonarul utilizat pentru
detectarea submarinelor germane in timpul celui de-al doilea
razboi mondial, insa progrese semnificative s-au inregistrat de
abia in anii ‘70.

3. Ecolocatia

4. Ecografia sau ultrasonografia
• Ecografia este tehnica de imagistica
medicala care foloseste undele sonore de
înaltă frecvenţă (ultrasunete) şi ecourile
lor.
• Aparatul cu ultrasunete transmite
impulsuri de inalta frecventa cu ajutorul
unui traductor.
• Undele ultrasonore se propaga în corp şi
lovesc o graniţă între ţesuturi (de
exemplu, intre tesutul fluid şi moale,
tesuturi moi si os).
• Unele dintre undele sonore se reflectă
înapoi la traductor, in timp ce unele se
propaga pe mai departe până când ajung
la o alta limita si se reflecta.
• Undele reflectate sunt culese de traductor
şi transmise la ecograf.
• Aparatul calculează distanţa de la sonda la
ţesut sau organ (limitele), folosind viteza
sunetului în ţesut (1, 540 m / s) şi durata
de intoarcere a fiecarui ecou.
Aparatul afişează distantele şi intensităţile
ecourilor pe ecran, prin formarea unei imagini
bidimensionale.

5. Ce sunt ultrasunetele?
• Ultrasunetele sunt sunete cu frecventa mai mare
de 20.000 Hz. In ecografie gama de frecventa se
situeaza intre 2MHz si 20 MHz.
• Sunetele sunt vibratii mecanice, au nevoie de un
mediu in care sa se propage, iar viteza lor
depinde de densitatea mediului in care se
propaga.
• In aer atenuarea ultrasunetelor este mare si de
aceea nu se pot face examinari ecografice la
organele care contin aer: plamani, stomac.

6. De ce se foloseste gelul?
• Deoarece atenuarea ultrasunetelor este mare in aer pe
piele se aplica un gel care ajuta propagarea ultrasunetelor
mai departe in corp, cu atenuare minima.
• Denumit si mediu conducator acustic sau gel de transmisie
• Ca si impedanta acustica este asemanator cu pielea. Este o
solutie pe baza de apa.
• Exista diverse formule de gel pe piata si foarte multi
producatori.

7. Modul de formare al imaginilor ecografice
(simplificat)
1. Traductorul emite un
puls de ultrasunete.
2. Traductorul opreste
emisia si incepe sa asculte
reflectiile de ultrasunete
de la tesuturi.
3. Se formeaza imaginea
ecografica. Ciclul de
emisie / receptie se reia .
Imaginea se obtine de la
pulsurile ultrasonice care
se intorc din corp.
Ecograful poate emite,
receptiona si procesa
mii de impulsuri de
ultrasunete pe secunda!

8. Ecograful - parti componente principale
Schema bloc Ecograf

9. Scopul sistemelor ecografice
Parametrul cel mai important dupa care este evaluat
un ecograf este “calitatea” imaginilor obtinute –
“calitate” denumita rezolutie.
In imagistica medicala termenul de rezolutie
defineste numarul sau cantitatea de detalii pe care le
ofera o imagine sau o metoda. In ecografie imaginea
este numita imagine ecografica sau sonograma.
Permite examinarea in timp real al structurilor
anatomice din corp, inclusiv cele in miscare foarte
rapida – inima.
Scopul ecografelor este sa faca ca tesuturile care sunt
la fel sa arate la fel, iar cele care sunt diferite sa fie
aratate diferit.

10. Moduri de lucru in ecografie
• Modul B (B=Brightness – modularea stralucirii) – stralucirea pixelilor
afisati pe ecran este direct proportionala cu amplitudinea ecoului
receptionat. Este afisata su forma de pixeli in nuante diverite de gri.
• De obicei apare pe tastatura ecografului ca “2D” sau “B”
• Este imaginea fundamentala in ecografie. Este cunoscuta si ca imagine
2D sau imagine bidimensionala.

11. • Modul M (M=Motion – modularea pozitie-timp sau TM=time-
motion) – afiseaza un grafic de miscare al structurilor cardiace in
jurul unei linii de referinta care este fixa. Are 2 dimensiuni: pe
verticala este spatiul, iar pe orizontala este timpul. De obicei,
apare pe tastatura ecografului ca “M-Mode” sau “M”.
• Modul M se foloseste numai in ecocardiografie pentru studierea
miscarilor rapide ale structurilor cardiace.

12. Metoda Doppler – este bazata pe efectul Doppler, un efect fizic descris de
fizicianul Christian Doppler in 1842. Frecventa receptionata a undei
ultrasonice se modifica fata de cea emisa atunci cand sursa undei se afla in
miscare relativa fata de receptorul undei. Se numeste schimbare de
frecventa Doppler (in engl: Doppler shift). Se utilizeaza pentru evaluarea si
masurarea fluxului de sange din corp, din toate zonele de interes. In cazul
ecografiei, receptorii care cauzeaza efectul Doppler sunt hematiile din
sange.
• Exista mai multe moduri in care metoda Doppler este utilizata: Modul
Doppler Color, Modul Angio Doppler, Modul Doppler Spectral Pulsat,
Modul Doppler Spectral Continuu .

13. 1. Modul Doppler Color – afiseaza fluxul sangvin in 2 culori (de obicei
rosu si albastru). Rosu este sangele care vine spre traductor, cel
albastru cel care pleaca de la traductor. Nuantele de culoare definesc
viteza de deplasare. Este utilizat pentru determinarea directiei de
curgere, detectarea ocluziilor vaselor, detectarea malformatiilor
vasculare, diferentierea intre tesuturile vascularizate si
nevascularizate.

14. 2. Modul Power Doppler – nu mai ofera informatii despre directia si
viteza sangelui, ci reprezinta totalitatea sangelui prezent . Cu alte
cuvinte reprezinta totalitatea hematiilor din sange. Este mult mai
sensibil decat Dopplerul Color si este utilizat pentru numai pentru
detectarea existentei sangelui intr-o anumita zona de interes.
Prezinta diverse alte denumiri: Angio Doppler, Color Power Angio
(CPA).

15. 3. Modul Doppler Spectral Pulsat– semnalele sunt emise si
receptionate alternativ exact ca la modul 2D. Rezultatul este
un spectru al vitezelor sangelui in functie de timp. Se poate
masura precis o anume zona din vas de la o anume adancime
aleasa de utilizator. Este denumit si PW (=pulsed wave).

16. 4. Modul Doppler Spectral Continuu– semnalele sunt emise si receptionate
in acelasi timp de catre 2 cristale diferite ale traductorului. Rezultatul este
un spectru al vitezelor sangelui in functie de timp. Nu se poate masura
precis o anume zona din vas de la o anume adancime, insa se pot vizualiza si
masura viteze mult mai mari decat cu modul PW. Este utilizat numai in
cardiologie. Este denumit si CW (=continuous wave).

17. Modurile 3D si 4D
3D – imagine statica in 3
dimensiuni
Imagine 3D in miscare – a 4-a
dimensiune este timpul

18. Traductoare
• Traductorul este considerat
partea principala a unui sistem
ecografic. Se poate spune ca
este echivalent cu “gura” si
“urechile” sistemului.
• Traductorul transmite pulsurile
de ultrasunete in corp si apoi
receptioneaza ecourile care se
intorc prin reflectie din corp.
• In cazul ultrasonografiei,
transforma energia electrica in
energie mecanica (vibratii
mecanice ultrasonore) si energia
mecanica (ultrasunetele
receptionate) in energie
electrica, care va fi preluata de
sistem si in final afisata ca
imagine pe ecran.
Detaliu – cristale piezoceramice intr-
un traductor

19. Traductoare – definitie si
terminologie
• Definitie: un traductor este un dispozitiv care
transforma o forma de energie in alta forma de
energie.
• Termenul mult mai des folosit care se refera la
traductorul pentru ecografe, este cel de sonda.
Din punct de vedere medical, sonde sunt
considerate doar cele transesofagiene si
intracavitare (endovaginale, endorectale).
• Uneori poate fi intalnit si termenul de
transductor (de la engl. Transducer = traductor).

20. Tipuri de traductoare
In functie de formatul imaginii rezultate traductoarele sunt de 3 feluri:
1. Traductoare lineare – formatul imaginii este dreptunghiular. Traductorul are
cristalele piezoceramice asezate in linie. Se utilizeaza pentru aplicatii vasculare,
parti moi (san, tiroida, etc), musculo-scheletal si in general in zone superficiale.
Are rezolutia cea mai buna datorita frecventelor inalte folosite (de ex: 5-12Mhz)

21. 2. Traductoare convexe – formatul imaginii este trapezoidal cu doua
laturi in forma de arc de cerc. Traductorul are cristalele
piezoceramice asezate intr-un arc de cerc. Raza de curbura si numarul
cristalelor pot fi diferite. Se utilizeaza pentru scanarea cavitatii
abdominale pentru aplicatii obstetrice, abdominale, renale. Gama de
frecvente este medie si joasa. (de ex: 2-5 MHz, 1-5Mhz).

22. 3. Traductoare sectoriale – formatul imaginii este in forma de sector de cerc.
Traductorul are cristalele piezoceramice asezate in linie. Se numeste si
traductor phase-array (matrice fazata). Seamana cu un traductor liniar ca
forma, dar este de dimensiune mult mai redusa pentru a putea intra intre
coaste si stern (ferestrele de acces pentru examinarea inimii). Se utilizeaza
in primul pentru aplicatii cardiace, dar se poate utiliza si pentru unele
aplicatii abdominale. Gama de frecvente este joasa (de ex: 2-4 Mhz ) .

23. Alte traductoare matriciale 2D
Traductorul endocavitar (endovaginal /endorectal) Traductorul transesofagian
Traductorul tip creion (pedoff) Traductorul microconvex (pediatric)

24. Traductoare volumetrice (3D/4D)
Exista 2 tipuri: mecanice si matriciale
Traductorul mecanic Traductorul volumetric matricial
Tehnologie mai veche, are piese in
miscare, se obtine mult mai putina
informatie de la tesuturi, comparativ
cu noua tehnologie matriciala
Are peste 2000 de cristale, asezate
intr-o matrice. Se obtine cea mai mare
informatie de la tesuturi. Versatilitate
in scanare, precizie crescuta.

25. Modul de scanare al traductorului volumetric
matricial
Avantaj major: unghiul dintre cele 2 planuri de scanare poate fi intre 0 si 360
grade. Se obtin mult mai multe informatii decat la scanarea manuala, al carei
protocol impunea doar 2 planuri perpendiculare. Scade foarte mult timpul de
cautare a diverselor patologii (chisturi, tumori, etc.).
Scanarea se poate considera cvasi-instantanee, in comparatie cu traductorul
mecanic, care are nevoie de un timp mult mai mare de baleiere.

26. • Ultrasunetele emise in corpul uman produc doua bioefecte asupra tesuturilor:
bioefect termic si bioefect mecanic.
• Bioefectul termic este incalzirea locala a tesuturilor traversate de unda ultrasonora.
Incalzirea locala este mai mare in locul unde unda intra in corp.
• FDA a obligat producatorii de ecografe sa calculeze si sa afiseze aceste bioefecte pe
ecranul ecografului pentru a putea fi urmarite.
• Bioefectul termic este numit Index Termic si afisat ca TI (Thermal Index)
• Bioefectul mecanic este suma tuturor transformarilor mecanice ce pot apare la
nivelul tesuturilor: cavitatie, compresie, destindere, etc. Este afisat ca MI
(Mechanical Index) – Index Mecanic.
• Cavitatia este cel mai important efect mecanic deoarece bulele de cavitatie care pot
aparea sunt in stare sa produca daune atunci cand acestea sunt supuse la colaps
rapid prin absorbtia energiei de la ultrasunete si concentrarea acesteia intr-o
regiune foarte mica.
Din aceste motive AIUM (American Institute of Ultrasound in Medicine) si FDA au
dezvoltat si recomanda utilizarea principiului ALARA (As Low As Resonable Achievable).
Desi toate cercetarile au ajuns la concluzia ca ultrasunetele nu sunt nocive pentru
corpul uman, efectele expunerii la acestea pe termen lung nu se cunosc complet
datorita timpului relativ scurt de cand sunt utilizate pe scara larga.
Efectele ultrasunetelor asupra organismului uman

27. Va multumesc pentru atentie!
Iunie 2015