1

DIAGNOSTICUL CU ULTRASUNETE ŞIIMAGINEA ECOGRAFICĂ

1. Scopul lucrăriiStudiul principiilor fizice ale explorării cu ultrasunete, prezentarea

principalelor blocuri funcţionale ale ecografului HITACHI model EUB - 450 şi a unormetode de prelucrare a imaginilor ecografice.

2. Aparate necesare- documentaţia produsului HITACHI model EUB - 450- calculator compatibil Pentium- software de prelucrare a imaginilor numerice

3. Consideraţii teoreticeExplorarea cu ultrasunete constituie una din cele mai sigure tehnici de

diagnostic din punctul de vedere a securităţii pacienţilor şi a personalului operator. Aufost efectuate multe studii pentru evaluarea efectelor biologice ale ultrasunetelor, darnici unul nu a evidenţiat efecte dăunătoare, în limitele intensităţilor acustice folosite înmod curent (mai mici de 100 mW/cm2). Alte avantaje importante ale explorărilorultrasonice sunt următoarele: sunt neinvazive, permit investigaţii în timp real şiselectarea de către operator în mod interactiv a zonei de investigat.

Imaginea ultrasonică reprezintă proprietăţile mecanice ale ţesuturilor(densitatea, elasticitatea etc.), proprietăţi puse în evidenţă de interacţiunile dintreundele mecanice şi ţesuturi, interacţiuni convertite în semnale electrice procesate şi încele din urmă transformate într-o imagine. Zonele în care imaginile ultrasonice suntutile cuprind structurile cardiace, sistemul vascular, fătul şi uterul, organeleabdominale ca ficatul, rinichii, vezica biliară şi ochii. Pungile de aer din organism suntreflectoare foarte bune pentru ultrasunete şi din acest motiv nu se pot investiga organeca plămânii sau intestinele. Oasele atenuează şi ele mult ultrasunetele şi din acestmotiv explorarea creierului cu ultrasunete este extrem de dificilă.

Undele acustice în ţesuturile umane sunt unde de compresie (longitudinale),care sunt generate cu traductoare electromecanice bazate pe efectul piezoelectric.Interacţiunile sursei de energie ultrasonică cu particulele mediului elastic determinătransmisia energiei sub forma unei perturbaţii spaţiale - unda, caracterizată prin vitezade propagare, dependentă de proprietăţile elastice ale mediului. Într-un mediu omogenşi izotrop, viteza de propagare c este constantă, iar lungimea de undă λ este:

λ = ⋅ =c T c f/ ,

relaţie în care perioada şi frecvenţa sunt caracteristici de sursă, iar lungimea de undă şiviteza de propagare caracteristici de mediu. Cum nu pot fi detectate obiecte mai micidecât lungimea de undă, pentru a obţine imagini cu rezoluţie cât mai bună este bine săfolosim frecvenţe cât mai mari (lungimi de undă cât mai mici). Ultrasunetele folositeîn aplicaţiile medicale au de obicei frecvenţe cuprinse între 2 - 20 MHz.

2

Imaginile ultrasonice se obţin prin reflexia impulsurilor ultrasonice la suprafaţade separaţie dintre două medii cu impedanţe acustice diferite. Impulsurile au duratescurte, cuprinse între 0,2 şi 2 µs, iar frecvenţa de repetiţie a lor este de 480..1200 Hz.În intervalul dintre impulsuri se înregistrează ecoul produs de structurilereflectorizante. Pentru unde plane în medii omogene, relaţia de calcul a impedanţeiacustice este:

Z c= ⋅ρ ,

unde ρ este densitatea mediului şi c viteza de propagare a ultrasunetelor în mediu.Impedanţa acustică se mai numeşte şi impedanţă caracteristică a mediului şi semăsoară în Kg/m2s sau rayl. De exemplu, atunci când un impuls traversează interfaţamuşchi - sânge, aproximativ 0,1% din energia acustică este reflectată. Acest ecou estefolosit pentru a crea imaginea interfeţei muşchi - sânge. Cea mai mare parte dinenergia impulsului se propagă mai departe, punând în evidenţă structuri amplasate înprofunzime.

Un parametru important al ultrasunetelor este intensitatea acustică, notată cu Işi definită ca putere acustică pe unitate de suprafaţă. Pe măsură ce impulsul se propagăîn corp, intensitatea lui acustică scade proporţional cu distanţa de propagare.Atenuarea acustică creşte de asemenea cu frecvenţa. Rezultă de aici compromisulfundamental care se face în cazul imaginilor ultrasonice: pe măsură ce frecvenţa creştepentru a obţine rezoluţii mai bune, scade adâncimea de pătrundere. Pentru explorăriabdominale de profunzime se folosesc frecvenţe tipice de 2,5...3,5 MHz, iar pentruorgane situate aproape de suprafaţa pielii şi în pediatrie se foloseşte frecvenţa de 5MHz. Frecvenţele cuprinse între 5 şi 15 MHz sunt rezervate explorării unor structurimici: tiroida, testiculele, vasele periferice şi ochiul.

Sistemele de explorare cu ultrasunete realizează trei moduri de bază dereprezentare: modul A (pe ecranul tubului catodic se obţine o formă de undă în timp,deci o imagine 1D cu privire la ţesut), modul TM (time-motion, asemănător cu modulA, dar aici prezenţa şi intensitatea ecourilor este realizată prin modulaţia intensităţiispotului pe o rampă D aplicată circuitului de deflexie pe verticală a tubului catodic;reprezentarea este şi aici unidimensională în raport cu ţesutul, dar dependenţa de timpîi dă un aspect bidimensional) şi modul B (brightness, care furnizează pe ecran overitabilă imagine 2D, o secţiune în organism pe baza ecourilor rezultate dinexplorarea secţiunii cu o serie de fascicule ultrasonice). Aparatele cele mai sofisticate,aşa cum este şi aparatul descris în continuare, pot realiza toate aceste moduri defuncţionare.

Emiţător/receptorTraductor Amplificator

Generator impulsuri

Bloc decontrol

Y

GeneratorTLV

Generatormarkeri Y

X

Comandă amplificarepentru compensareaatenuărilor în ţesuturi

semnal 1D

distanţă

Fig 3.1 Schema bloc simplificată a reprezentării de tip A (A-scan)

3

Emiţător/receptorTraductor Amplificator

Generator impulsuri

Bloc decontrol

YGeneratormarkeri

X

axa Z

Z

Generatorrampă lentă

Generatorrampă rapidă

timp

distanţă

strălucire semnale 1D

Fig 3.2 Schema bloc simplificată a reprezentării de tip TM

Emiţător/receptor

Amplificator

Generator impulsuri

Bloc decontrol

Y

X

axa Z

Z distanţă

strălucire semnale 2DTraductorşi sistem

de scanare

distanţăAmplificatorcomandat

Amplificatorcomandat

Bloc detecţiepoziţie traductor( x,y sau R, θ )

Fig 3.3 Schema bloc simplificată a reprezentării de tip B (B-scan)

În figurile 3.1, 3.2 şi 3.3 s-au reprezentat schemele bloc simplificate pentrucele 3 moduri de bază de scanare: de tip A, de tip TM şi respectiv de tip B. Figura 3.4evidenţiază imaginile ecografice ale unei porţiuni de rinichi în modurile A-scan şi B-scan. Se observă o zonă ecogoală net delimitată, care indică existenţa unui chist înplanul de explorare.

Fig 3.4 Chist renal în imagini ecografice în sistem B şi A

4

Ecograful HITACHI model EUB - 450 asigură posibilitatea lucrului cu maimulte tipuri de sonde, atât cu elementele piezo dispuse liniar, cât şi cu ele dispusecircular (sondele convexe 40R şi 76R). În afara vizualizării imaginilor aparatulprezintă şi funcţii opţionale: vizualizarea dinamicii sanguine prin efect Doppler,posibilitatea memorării multiple a cel mult 16 imagini, control automat/manual alfuncţionării. Schema bloc simplificată a aparatului şi o parte din schemele bloc alemodulelor componente sunt date în anexă.

La primirea unui semnal de comandă de la blocul Digital Scan Converter(DSC), circuitul emiţător/receptor de ultrasunete emite unde ultrasonore şirecepţionează ecoul transmis de la corpul pacientului prin intermediul sondei(Probe).Semnalul ecou este transmis la circuitul DSC după efectuarea prelucrării analogice.

Circuitul emiţător/receptor de ultrasunete este compus din 6 module: PBSW -care asigură selecţia sondei active şi amplificarea semnalului reflectat, VID1 - careasigură “deplasarea” electronică a traductoarelor cu ajutorul unor multiplexoare, 2module identice VID2 - cu rol de focalizare a undei reflectate, CONT1 - carecontrolează focalizarea undei transmise şi VID3 - care conţine circuitele de control aamplificării, filtre dinamice şi circuite de prelucrare analogică a semnalelor.

Modulul VID1 selectează traductoarele pe 56 canale din cele 64 canale activefolosind 2 nivele de multiplexare. Primul nivel deplasează traductoarele cu o poziţiestânga/dreapta, iar al doilea nivel face acelaşi lucru, dar cu 9 poziţii. Modulul maiintroduce un semnal de încrucişare la centru (folding at center), considerând că înfocalizarea electronică distanţa dintre obiect şi traductor este simetrică faţă de axacentrală a sondei.

Modulul VID2 este compus dintr-o linie de întârziere (Receiving FocussingCircuit), un multiplexor pentru modificarea întârzierii şi un amplificator. Datele pentrucontrolul focalizării ecourilor recepţionate sunt memorate într-o memorie ROM şitransferate în memoria RAM la schimbarea sondei, la schimbarea modului de scanareetc.

Modulul CONT1 controlează focalizarea transmisiei prin 4 circuite LSI,fiecare dintre ele putând controla 16 canale, asigură circuitele driver pentru transmisie(circuite rezonante cu FET) şi controlează comutatorul cu diode pentru selecţiatraductoarelor, care stabileşte modul de lucru. Datele de comandă sunt stocate într-unROM şi sunt livrate prin intermediul unor latch-uri.

Blocul DSC este format tot din 6 module: KCPU - care recunoaşte tastaapăsată şi trimite eventuale comenzi necesare spre alte module, CCPU - care asigurăinterfaţa cu circuitul emiţător/receptor prezentat mai sus, BUFMEM - care conţine omemorie tampon pentru memorarea temporară a datelor imagine rezultate prinprelucrarea semnalelor ecou, FRMEM - care conţine memoria de imagine, DISP -pentru producerea semnalului video în scopul afişării imaginii pe monitorul TV şiMCPU - care este o unitate centrală de prelucrare pentru efectuarea calculelor.

Modulul KCPU este un microsistem realizat în jurul microprocesorului 8085,dotat cu memorii ROM/RAM, controler de întreruperi, convertoare de cod pentrutastatură (encoder), porturi de intrare pentru citirea informaţiei de stare şi porturi deieşire pentru controlul perifericelor, interfaţă de comunicaţie I/E.

Modulul CCPU este tot un microsistem cu microprocesor 8085, care maiconţine o memorie RAM pentru memorarea datelor de imagine şi memoriiROM/RAM destinate interpolării datelor de imagine, precum şi o serie de generatoare

5

pentru markeri, frecvenţa de repetiţie a impulsurilor sau frecvenţa ultrasuneteloremise.

Modulul BUFMEM este o memorie tampon pentru stocarea temporară asemnalelor ecou recepţionate şi realizează interpolarea R-θ pentru modificareatimingului datelor recepţionate în scopul reproducerii lor pe monitorul TV.

Modulul FRMEM conţine un convertor A/D, două memorii de imagine de câte512 512 6× × biţi şi un controler pentru citirea/scrierea datelor din/în memorie.Conversia A/D a semnalului de intrare se face pe 8 biţi, iar datele sunt livrate unuiPROM. PROM-ul conţine un tabel de compresie a datelor de la 8 la 6 biţi. Rata deconversie variază de la 300ns la 100ns, funcţie de frecvenţa ultrasunetelor (de la 2,5MHz la 7,5 MHz). Circuitul de corelaţie a cadrelor urmăreşte corelaţia între cadrulexistent în memorie şi cel nou recepţionat. Cele două memorii de imagine au fostintroduse pentru accesarea alternativă a lor în scopul atingerii ratei de transfer dorite.

Modulul DISP asigură selecţia datelor necesare pentru afişarea pe ecranul TV.Datele selectate sunt interpolate (cu tabelul de interpolare) pentru a fi introduse înnoua imagine.

Modulul MCPU conţine o memorie grafică pentru display grafic, circuite decontrol ale memoriei, şi un microprocesor 8088 pentru controlul fluxului de dategrafice la/de la memorie şi efectuarea calculelor necesare măsurărilor unor repere depe imagine. Memoria grafică are 8 plane de câte 1024 512 1× × biţi folosiţi în modselectiv pentru scriere. Modulul asigură comunicaţia între procesoare şi conţine circuitgenerator pentru semnalul de sincronizare TV.

Imaginea ecografică este de obicei o imagine 2D. Această reprezentare nu esteînsă întotdeauna satisfăcătoare pentru că oferă imaginea unui singur strat din ţesut şiexaminatorul trebuie să integreze mental informaţiile obţinute pentru a-şi forma oimpresie asupra anatomiei şi patologiei 3D. O astfel de explorare durează foarte mult,iar probabilitatea de eroare în stabilirea diagnosticului este destul de mare, eadepinzând în mare măsură de experienţa şi răbdarea examinatorului.

Aceste limitări ale explorării 2D au fost depăşite prin folosirea unui nou sistemde explorare sugerat în figura 3.5. Sistemul a fost conceput pentru explorarea prostateişi evidenţierea unei eventuale tumori. Sonda ultrasonică se introduce rectal şi permiterotirea planului de explorare cu un unghi de 800, achiziţionând 100 imagini digitale cuo rată de 15 imagini/secundă, deci explorarea durează circa 8 secunde. Imaginile 2Dastfel obţinute sunt prelucrate cu ajutorul unui sistem de calcul, care generează osingură imagine 3D. Aceasta este ulterior prelucrată folosind un software adecvat.

Fig 3.5 Reprezentare schematică a sondei ultrasonice rectale, care se roteşte pentru obţinerea unei imagini 3D

6

Fig 3.6 Ecografii 3D ale prostatei în plane şi unghiuri diferite

Dacă notăm cu z axa de rotaţie, atunci reconstrucţia fiecărui plan x-y se faceprin maparea fiecărui pixel ( )P r z, ,θ din coordonate cilindrice în ( )P x y z' , , în

coordonate carteziene, folosind relaţiile: ( )r x y= +2 2 şi ( )θ = arctan /x y . Ceilalţipixeli de imagine se obţin prin interpolare. O imagine 3D care conţine310 190 230× × pixeli este reconstruită din 200 imagini 2D de câte 230 176× pixeli în45 secunde, folosind un calculator Power Macintosh 9500/135.

Imaginile din figura 3.6 reprezintă “felii” ale prostatei care pot fi aşezate înplane şi unghiuri diferite: (a) - plan transaxial cu localizarea unei tumori în regiuneaecogoală, (b) - plan parasagital cu vizualizarea simultană a 2 plane, (c) - plan coronal,imposibil de vizualizat în 2D.

4. Modul de lucru4.1. Se studiază principiile fizice ale explorării cu ultrasunete, insistând asupra

alegerii frecvenţei de explorare a sondei pentru a optimiza raportul dintre rezoluţiaimaginii obţinute şi profunzimea stratului explorat.

4.2. Se studiază principalele blocuri funcţionale ale ecografului HITACHImodel EUB - 450 din punct de vedere structural şi funcţional, urmărind schemele blocsimplificate din anexă.

4.3. Se imaginează schemele care realizează următoarele funcţii ale circuituluiemiţător/receptor de ultrasunete:

- circuit de deplasare stânga cu 9 poziţii folosind multiplexoare- circuit de conversie a nivelului de la 0…5V la -3…2V- circuit pentru transferul datelor din memoria ROM în memoria RAM

4.4. Arătaţi care sunt componentele unui sistem cu microprocesor şi indicaţirolul fiecărei componente. Folosiţi diagramele de timp pentru a explica cum se facecitirea alternativă a datelor din cele două memorii de imagine ale modulului FRMEMşi justificaţi adoptarea acestei soluţii de către proiectant. Explicaţi de ce este necesarăinterpolarea datelor de imagine.

4.5. Să se implementeze algoritmul de reconstrucţie a imaginilor 3D pornindde la un set de imagini 2D.