Ultrasunete : Aplicatii medicale
Introducere
Tehnicile ultrasonice aplicate in medecina sau dezvoltat din anii 1950 si au intrat in rutina la inceputul anului 1970. Tehnicile medicale deriva din cele puse la punct pentru radare, sonorul submarinelor si controlul non destructiv al materialelor. In acelasi timp, avand in vedere aplicatiile particulare in mediul medical, unele dintre ele au fost considerabil modificate pentru ca utilizarea lor sa fie simpla si eficace .
Tehnicile ultrasonografice au numeroase avantaje in raport cu alte metode de explorare a corpului uman: sunt non ionizante, ne periculoase, usor de executat si ieftine. Pe de alta parte, ele permit vizualizarea in timp real al unor organe ca cordul si sangele circulant de exemplu.
Generalitati
Frecventele ultrasonice cele mai utilizate in medecina sunt situate in gama ce variaza de la 3 la 15 MHz, ceea ce corespunde unor lungimi de unda de o fractiune de milimetru, viteza ultrasunetelor in tesuturile moi fiind de 1540 m s-1 à 5% près.
Ultrasunetele se propaga bine in tesuturile corpului uman, coeficientul de atenuare este sensibil proportional cu frecventa ultrasonica utilizata, variind de la 0,5 la 3,5 dB cm-1 MHz-1.
Impedanta acustica a tesuturilor este produsul masei specifice cu viteza de propagare a ultrasunetelor. Aceasta impedanta este vecina cu cea a apei cu valori cuprinse intre 1,3 si 1,7 Mra (106 kg m-2 s- 1).
Diferenta de impedanta acustica intre doua medii diferite este la originea ecourilor reflectate de tesuturile traversate. Ecourile zise speculare (un peu comme la réflexion sur un miroir pour la lumière) sunt obtinute pe capsulele organelor, a fibrelor tendinoase sau musculare si pe peretii vaselor, dar ele nu au un interes major in diagnostic. Ecourile de difuziune (speckle in engleza) sunt cele ca contribuie la creearea imaginii de « textura ultrasonica » a unui organ (le verre dépoli pour la lumière), si permit diferentierea unui tesut sanatos de unul bolnav.
Transducerele
Transducerele de imagistica si de detectie Doppler cu aplicatii medicale sunt, in principal realizate pe baza de ceramica fero-electrica de tip PZT (zirconat-titanat de plumb). Aceasta ceramica cu puternic coeficient de cuplaj electro-acustic kt are o impedanta acustica de 15 - 20 de ori mai mari decat cea a tesuturilor biologice, ceea ce pune probleme de adaptare a unei impedante intre cele doua medii de transmitere. Polimerii piezo-electrici au o impedanta acustica mai scazuta ca ceramica dar, din pacate, studiile si cercetarile efectuate arata un coeficient de cuplaj electro-acustic inca insuficient. Pentru a mentine o buna sensibilite si o banda larga de trecere, cu mentinerea impedantei acustice a materialului piezo- electrice, sunt inca necesare cercetari in ceea ce privesc materialele compozite. S-a asociat o faza de rasina inerta si usoara la o faza piezo- electrica. Materialul obtinut are multiple caracteristici interesante:
Impedanta de 2 - 3 ori mai mica decat cea a ceramicii initiale,
coeficient de cuplaj kt mai bun decat cel al ceramicii,
supletea materialului (eventual termo-mulabil), cea ce permite realizarea de réaliser aisément des coupelles ou des cylindres,
cuplaj lateral slab - faible, interesant pentru realizarea unei focalizari electronice de calitate plecand de la baretele transducerelor.
Pentru a raspunde numeroaselor aplicatii diagnostice a ultrasunetelor, a fost necesara dezvoltarea unei mari varietati de captatoare, aparatele de eco-Doppler recente au 20 - 30 de sonde diferite ca talie, frecventa ultrasonica si mod de baleiaj.
Imagistica ecografica
Imagistica ecografica a structurilor biologice poate fi obtinuta datorita multiplelor tipuri de baleiaj :
baleiajul sectorial mecanic: captorul este deplasat de un motor si produce 10 - 30 de imagini-sec. Miscarea mecanica este obtinuta, in principal in doua modalitati: oscilarea unui transducer in jurul unui punt fix sau deplasarea liniara de dute-vino daca amplitudinea deplasarii este mica. Baleiajul mecanic este astazi rezervat sondelor de frecventa ultrasonica superioara la 15 MHz, pentru care baleiajul electronic nu este inca utilizabil.
Baleijul sectorial electronic fara defazare (phased array) : se foloseste o mica bareta de transductor (de exemplu 64 elemente de 0,25 mm ) pentru a produce si receptiona ultrasunete. Impulsurile de emisie transmise de fiecare transducter elementar sunt defazate intre ele liniar, in maniera de a excita cu un mic decalaj de timp elementele adiacente ale baretei. Frontul de unde format de suma fronturilor elementare emise se propaga deci intr-o directie care face un ungli q (care depinde de valoarea intarzierii) cu normala captatorului. Acelasi defazaj este aplicat apoi pe semnalul receptionat de diferitele transducere. Variatia de intarziere a fiecarei noi secvente de emisie-receptie permite obtinerea unui baleiaj sectorial a carei deschidere maxima este de 90°. Imaginea obtinuta are forma unui sector cu mijlocul ! sommet corespunzand punctului de contact al sondei cu pielea pacientului. La aparatele recente, se suprapun intarzieri suplimentare intarzierilor de reflexie, obtinandu-se o focalizare electronica.
baleiajul electronic liniar pe sonda liniara: aceasta tehnica utilizeaza o bareta detectoare de 3 pana la 12 cm lungime, formata ditr-un numar important de captatoare de mici dimensiuni (de ordinul unei fractiuni de milimetru), plasate una langa alta. Suprafata de emisie-receptie este obtinuta asociind un anumit numar de elemente ale baretei (24 pana la 128 de exemplu), excitati simultan. Dupa fiecare secventa de emisie-receptie corespunzatoare explorarii unei linii, suprafata de lucru este translatata unui alt element. Spatiul dintre fiecare linie de explorare este egala cu latimea fiecarui transductor elementar. Comutarea rapida de la o linie la alta permite, ca si in baleajul sectorial electronic, obtinerea de cadente de imagini de la 30 pana la 100 pe secunde, fara nici o piesa in miscare, si generarea de frecvente ultrasonice de pana la 15 MHz. Aceste captatoare furnizeaza imagini rectangulare cu linii de achizitie paralele, foarte apreciate in explorarile abdominale si in obstetrica.
Baleiajul electronic liniar pe sonda convexa : utilizand un baleiaj liniar de-a lungul unei barete convexe de transductori, se poate orienta faiscicolul de ultrasunete emise, intr-un sector de ordinul a 60° ; aceasta tehnica recenta asociaza avantajele baleiajului electronic liniar (simplitate electronica si frecventa ridicata a ultrasunetelor) cu cele ale baleajului electronic sectorial (suprafata de contact redusa, utilizarea de ferestre acustice de mici dimensiuni). Aceasta tehnica se impune in majoritatea aplicatiilor ecografiei transcutanate.
Imagistica ecografica endocavitara utilizeaza captatoare miniaturale cu diametru de la 10 la 20 mm pentru sondele endo-esofagiene, endorectale sau endovaginale, sub 1 mm pentru sondele endovasculare. Ultimele utilizeaza un baleaj mecanic, in timp ce precedentele sunt pilotate electronic. aceste captatoare ultrasonice sunt utilizate tot mai mult in sala de operatie pentru a ghida interventiile clasice iar, pentru viitor, va fi integrat dans sistemele de robotica chirurgicala.
Imagistica tridimensionala prin ultrasunete nu este inca folosita de rutina din motive legate de pretul captatoarelor si a informaticii asociate, de problemele legate de reprezentarea unui corp opac in 3 dimensiuni si de competitia cu vederea « naturala » in 3D a ecografistilor antrenati. In acelasi timp, multe aparate comercializate poseda deja aceasta obtiune. Punerea la punc a captatoarelor ultra rapide si inteligente, pare a fi cheia evolutiei ecografiei 3D.
Focalizarea
Focalizarea electronica dinamica (sau in urmarirea ecourilor) este utilizata de o maniera quasi-sistematica pe toate tipurile de captatoare de imagistica fie ele cu baleiaj electronic sau mecanic. Pozitia zonei focale de emisie nu este deplasabil decat de la un capat la altul, astfel incat zone focala de receptie poate fi comutata astfel int sa urmareasca frontul de unde de-alungul propagarii lor. Sondele anulare permit adaptarea acestei focalizari electronice pe captatoare cu baleiaj mecanic.
Tehnicile cu efect Doppler
Variatia de frecventa DF, prin efect Doppler intre ultrasunetele incidente (frecventa F) si ultrasunetele reflectate (frecventa F') de globulele rosii ale sangelui in miscare, permite detectarea vitezei u a acestora din urma aplicand formula : DF = F-F' = 2F u cosq / c, in care c este viteza ultrasunetelor iar cosq unghiul mediu dintre axa de emisie-receptie a ultrasunetelor si axa vectorului de viteza.
Vitezele normale de curgere a sangelui fiind cuuprinse intre 0 et 150 cm s-1, si frecventa ultrasunetelor F variind de la 2 la 10 MHz dupa domeniul de aplicatie, variatia frecventei DF este cumprinsa intre 0 si 10 kHz, adica se situeaza in gama de frecvente auzibile.
De la reflexia ultrasunetelor pe un ansamblu de particule in mouvement, semnalul datorat efetului Doppler este compus de semnale de diferite frecvente DFi, corespunzand diferitelor viteze vi a reflectatoarelor prezente in volumului. Semnalul Doppler DF prezinta deci un oarecare spectru de frecvente care vor putea fi detectate printr-un analizator spectral. Fiecare semnal Doppler corespunzand unei viteze determinate este deci detectat cu o amplitudine care depinde de numarul de particule avand aceeasi viteza, intr-n moment dat, in artere. Se demonstreaza astfel ca in cazul curgerilor parabolice fiecare frecventa (sau viteza) este detectata cu acelasi nivel energetic, caci are acelasi numar de particule in aceasi transa de viteza. Din contra, daca scurgerea prezinta un profil non parabolic, aceasta relatie nu mai este adevarata: in particular, in caz de scurgere turbulenta, instabilitatea spectrului este caracteristica si permite gradualizarea modificarilor de turbulenta, si, indirect, cunoasterea procentajului de reducere a calibrului vasului.
Modificarea electronica a semnalului Doppler se face, in principal, in doua maniere diferite :
Se poare cerceta frecventa medie a spectrului, ceea ce furnizeaza direct o informatie despre media vitezelor de-a lungul sectiunii, adica o data proportionala a debitului instantaneu.
Se inregistreaza evolutia spectrului intr-un timp, conservand toate informatiile continute in semnalul de origine si caractizand astfel scurgerile non parabolice.
Aparatele cu efet Doppler
Exista doua tipuri de aparate Doppler disponibile :
Aparatele cu emisie continua, in care captatorul este constituit dintr-o ceramica emitatoare, care transmite in permanenta un semnal ultrasonic in mediu, si dintr-o ceramica receptoare care detecteaza semnalele reflectate. Aceste aparate au fost foarte utilizatr pentru explorarea vaselor superficiale, usor de identificat (vasele cotului si a membrelor in particular). Ele sunt legate fie la un inregistrator grafic pentru inregistrarea curbelor de viteza, fie la un sistem de analiza spectrala, dupa modul de tratare a semalului Doppler folosit Aparatele cu emisie continua sunt usor de manevrat; sunt insa limitate atunci cand vasele de explorat sunt profunde sau atunci cand mai multe vase se suprapun in axul captatorului.
Aparatele cu emisie pulsatila emit un mic impuls, ca in ecografie, apoi transducerul devine receptor si detecteaza semnalul reflectat in functie de profunzimer. O prelucrare electronica permite selectionarea semnalului corespunzator regiunii de explorat si evita suprapunerea informatiilor provenind de la modificari din fata sau din spate. Exista sisteme Doppler multiporte, care exploreaza circulatia din diferite planuri in mod simultan. Aparatele Doppler pulsatile sunt foarte folosite in explorarea circulatiei abdominale si intracerebrale, cat si pentru studiul fluxului intracardiac. Ele sunt la baza sistemelor de imagistica a sangelui circulant prin Doppler color.
Asocierea ecotomo grafica cu Doppler (sistem Duplex)
Explorarea fluxului din vasele profunde sau din cavitatile cardiace este dificila fara reperaj anatomic precis. Aceasta investigatie a devenit posibila datorita utilizarii unui sistem Doppler pulsatil, cuplat la un ecograf cu baleiaj mecanic sau electronic. Anumite elemente ale captorului sunt utilizate alternativ, pentru imagistica si pentru explorare Doppler. Dupa ce au fost reperate structurile cardiace sau vasculare pe imaginea ecografica, se pozitioneaza in aceasta imagine linia si fereastra de explorare Doppler. Acest sistem combinat permite cunoasterea simultana a calibrului vaselor sau a orificiului cardiac studiat si viteza sangelui, si deci calcularea debitului sanguin si efectuarea unei corelatii intre perturbatiile hemodinamice si anomaliile morfologice.
Imagerie Doppler color
Utilizand un sistem Doppler pulsatil, avem posibilitatea de a studia circulatia la profunzimi diferite simultan. Daca mutam rapid cursorul Doppler, putem efectua o cartografie a fluxurilor sanguine. Un cod de culori permite colorarea de exemplu in rosu a sangelui care se deplaseaza spre captator (efect Doppler pozitiv) si in albastru sangele care se indeparteaza de captator (efect Doppler negativ). Intensitatea culorii este in functie de amplitudinea vectorului de viteza. Se poate astfel suprapune pe aceeasi cupa, in scara de gri, structurile cardiace sau vasculare, iar pe scara colorata vitezele de scurgere sanguina. O alta varianta consta in a modula scara color cu energia semnalului Doppler si nu cu valoarea variatiei de frecventa Doppler.
Aceasta « angiografie a ultrasunetelor » este extrem de importanta pentru diagnosticul malformatiilor cardiace la nou-nascut, pentru studiul valvulopatiilor in cardiologia adultilor, in explorarea bolilor vasculare si in studiul anomaliilor circulatorii la fœtus sau in tumori. Aceste aparate se folosesc din de plu ce in ce mai mult datorita aportului major in diagnostic.
Aplicatii diagnostice
Putem schematiza patru mari domenii de aplicatii de rutina a ultrasunetelor in diagnosticul medical :
imagistica tesuturilor putin mobile si direct accesibile prin piele : de exemplu uterul, ficatul si caile biliare, rinichii, splina, sanii, tiroida, …
explorarea structurilor in miscare, ca cordul si sangele circulant, care raspunde la utilizarea tehnicilor care combina ecografia rapida, tehnica Doppler si inregistrarea miscarii structurilor in mod timp-miscare (T.M.).
Ecografia endocavitara atunci cand este necesara apropierea captorului de regiunea de explorat pentru a creste rezolutia sau pentru a evita traversarea structurilor osoase sau gazoase. Se utilizeaza pentru aceasta captoare miniaturale si de frecventa ultrasonica relativ ridicata.
Aplicatiile noi care necesita echipe specializate, ca ecografi-Doppler cerebrala, ecografia cu substante de contrast, ecografie 3D, ecografie interventionala cu ghidaj de punctie sau cu gesturi terapeutice, imagistica ultrasonica parametrica, …
Caracterizarea tisulara prin ultrasunete
Au fost publicate numeroase lucrari in ultimii douazeci de ani pentru a caracteriza tesuturile in functie de comportamentul lor la ultrasunete. Pana in prezent imagistica ecografica a beneficiat putin de pe urma acestor cercetari, caci, frecvent este necesara prelucrarea semnalului relativ lung si complex. Primele aplicatii de rutina se bazeaza pe doua tipuri de tehnica :
Caracterizarea osului in functie de viteza si de atenuarea unei unde acustice care se propaga in calcaneu de exemplu,
Studiul raspunsului non liniar al tesuturilor la variatiile de presiune instantanee legata de pasajul undei acustice (imagistica armonica).
Alte proiecte sunt in curs de evaluare ca masurarea elasticitatii tisulare aplicand o unda de foarte joasa frecventa pentru a stimula tesuturile si utilizand o unda ultrasonica pentru studiul deformarii tesuturilor in profunzime.
Produsele de contrast ultrasonice
Mai multe companii farmaceutice dezvolta microbule de gaz incapsulate, cu un diametru de cativa microni, care pot fi injectati pe cale intravenoasa. Aceste microbule constitue un mijloc de contraste, caci gazul este un puternic reflector de ultrasunete.
Aplicatiile majore avute in vedere sunt numeroase :
Studiul vascularizatiei tesuturilor,
Caracterizarea anumitor tumori,
Explorarea functiei cardiace si a fluxului coronar,
Studiul shunturilor intre cordul drept si cordul stang, etc.
Se studiaza posibilitatea de a utiliza aceste microbule la transportul de molecule in scop terapeutic. Acestea vor putea fi livrate intr-un anumit loc prin ruperea microbulelor intr-un camp ultrasonic de putere medie.
Tehnicile ultrasonice s- au dezvoltat pentru imagistica medicala. Performantele atinse de aparatele moderne sunt spectaculoase. Studiile in curs despre imagistica 3D, miniaturizarea captoarelor si caracterizarea tisulara deschid calea unor noi dezvoltari ale aplicatiilor medicale si industriale.
