ecografia todo teoria

Upload: peter-frank-taquima-merma

Post on 10-Feb-2018

225 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    1/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 1

    Ecografa

    ndice.

    1 INTRODUCCIN.............................................................................................................................................................. 1

    2 FUNDAMENTOS DE ULTRASONIDO......................................................................................................................3

    2.1 DEFINICIN DE SONIDO....................................................................................................................................................32.2 ULTRASONIDO PULSADO. ................................................................................................................................................42.3 ATENUACIN.....................................................................................................................................................................42.4 ECOS....................................................................................................................................................................................5

    3 TRANSDUCTORES.......................................................................................................................................................... 6

    3.1 CONSTRUCCIN Y OPERACIN........................................................................................................................................63.2 HAZ DE ULTRASONIDO .....................................................................................................................................................83.3 ENFOQUE............................................................................................................................................................................9

    3.3.1 Enfoque electrnico. ..........................................................................................................................................10

    3.4 BARRIDO AUTOMTICO.................................................................................................................................................113.5 R ESOLUCIN ESPACIAL..................................................................................................................................................14

    4 EL ECGRAFO...............................................................................................................................................................15

    4.1 CONFORMADOR DEL HAZ..............................................................................................................................................164.2 PULSER..............................................................................................................................................................................164.3 R ECEPTOR. .......................................................................................................................................................................164.4 CONVERTIDOR A/D Y BUFFER. .....................................................................................................................................184.5 CONVERTIDOR DIGITAL DE BARRIDO...........................................................................................................................184.6 MEMORIA DE LA IMAGEN. .............................................................................................................................................194.7 PROCESAMIENTO.............................................................................................................................................................204.8 VISUALIZACIN...............................................................................................................................................................204.9 MODOS..............................................................................................................................................................................21

    1 Introduccin.Ecografa o ultrasonografa permite la obtencin de imgenes utilizando ultrasonido. La utilizacin en diagnsticoimplica la obtencin de imgenes de cortes, reconstrucciones 3D y representaciones de flujo (Ecodoppler) mediantela tcnica de pulso-eco.

    Ilustracin 1: Proceso interactivo para obtencin de la imagen.

    La tcnica no es pasiva, sino implica un proceso interactivo (Ver Ilustracin 1) entre el ecografista, el paciente, eltransductor, el instrumento y el responsable tcnico del equipo. La comprensin de los principios que dominan latcnica aportar imgenes de calidad. En la Ilustracin 2 se pueden observar diferentes modelos comerciales detransductores (a) y ecgrafos (b).

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    2/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 2

    Ilustracin 2: Transductores y Ecgrafo.

    El Modo ms utilizado en ecografa es el B (Brillo o Bidimensional). La imagen obtenida es la representacin deuna estructura del cuerpo. La tcnica de pulso-eco, utilizada para obtener la imagen, consiste en la generacin de

    pulsos de ultrasonido en el transductor que son enviados al cuerpo, donde se producen ecos en los bordes de losrganos y dentro de los tejidos. Estos ecos vuelven al transductor donde son detectados y presentados en la pantalla

    del ecgrafo. El transductor realiza tanto la emisin como la recepcin del ultrasonido, por lo tanto el mdico debeconocer la localizacin y la intensidad de los ecos recibidos. El ecgrafo procesa los ecos y los presenta como

    puntos visibles, los cuales forman la imagen anatmica sobre la pantalla. El brillo de los puntos corresponde a laintensidad de los ecos. La ubicacin de las estructuras sobre la pantalla es determinada por la direccin en la cual seenva el ultrasonido y por la medicin del tiempo de trnsito del ultrasonido hasta que es recibido el eco. Si seconoce la velocidad del ultrasonido en el medio es posible medir distancias dentro de la imagen.

    Si se emite un pulso en una direccin dada, se visualizan una serie de puntos en una lnea en la pantalla. Si elproceso es repetido, pero en diferentes direcciones o puntos de partida, se puede construir la imagen anatmicacompleta. De acuerdo a la direccin y punto de partida de cada lnea es posible obtener diferentes formatos de

    barrido en la imagen. (Ver Ilustracin 3). La imagen se forma a partir de varias l neas de barrido (de 100 a 200). Enla Ilustracin 4 se pueden observar imgenes en niveles de gris de cortes obtenidos con diferentes formatos de

    barrido.

    Ilustracin 3: Diferentes formatos de barrido.

    Ilustracin 4: Ejemplos de imgenes de modo B.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    3/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 3

    Las imgenes obtenidas por la tcnica ecogrfica convencional proporcionan slo informacin de tipo anatmica.Debido a la atenuacin en el aire y a la barrera que presenta para tejidos seos, el ultrasonido no puede ser utilizadoen pulmn y con restricciones en el crneo. Sin embargo, a diferencia de las modalidades que trabajan con radiacinionizante (RX, TAC, etc), en el ultrasonido no se han observado daos operando con tiempos y potenciascaractersticas. Si bien presenta una resolucin deficiente respecto a otras modalidades, existe mucho inters enmejorar esta tcnica por su bajo costo y riesgo.

    Como extensin de la tcnica de pulso de eco para obtener imgenes anatmicas se estn investigando ydesarrollando una gran variedad de herramientas para obtener imgenes en tres dimensiones (3D) de volmenes yestructuras anatmicas. Actualmente existen equipos con la capacidad de obtener reconstrucciones 3D de buenacalidad. Cuando es posible obtener imgenes 3D en diferentes instantes de tiempo se introduce el concepto deimgenes 4D. Su nombre se basa en la adicin de la variable tiempo (t) a las tres variables espacialesconvencionales.

    Existen adems avances en Ecografa de contraste, ecorrealzadores, ecografa de segunda armnica, etc. que no seincluyen en el presente documento.

    Existe otro campo de aplicacin del ultrasonido estrechamente ligado a la generacin de imgenes anatmicas delcuerpo. Este campo corresponde al Ecodoppler, una tcnica basada en un principio fsico descubierto hace mucho

    tiempo y de amplia utilizacin en el estudio del sistema cardiovascular ya que permite medir el movimiento departculas y fluidos en el cuerpo. El desarrollo de este tema no se detalla en el presente captulo.

    2 Fundamentos de Ultrason ido.

    2.1 Definicin de Sonido

    El sonido es una onda y como tal se propaga provocando la modificacin de variables. As, al arrojar una piedra enel agua, se produce una onda que se propaga con la variacin de nivel. Una caracterstica importante de las ondas, esque stas llevan energa, no materia, de un lugar a otro. El sonido es una onda mecnica longitudinal en la cual las

    partculas se mueven en la direccin de propagacin de la onda. En estas ondas las variables acsticas que semodifican son: presin, densidad, temperatura y movimiento repetitivo de partculas.

    El sonido se describe mediante algunos trminos comunes a todas las ondas. Estos incluyen a: frecuencia, periodo,longitud de onda, velocidad de propagacin, amplitud e intensidad:

    Frecuencia (f): Nmero de ciclos por segundo. Unidad de medida: Hz (Hertz) Periodo (T): Tiempo o duracin de cada ciclo. Unidad de medida: s (segundos) Longitud de onda (): Distancia espacial en la que ocurre un ciclo. Unidad de medida: m (metro) Velocidad de propagacin (c): Velocidad de movimiento de una onda en un determinado medio. Unidad de

    medida: m/s (metro sobre segundo). Est determinado por la densidad y la rigidez del medio. Normalmentemedios ms densos son ms rgidos y responden con altas velocidades (huesos). Medios menos densos sonmenos rgidos y le corresponden menores velocidades (aire). El tejido blando tiene una velocidad de

    propagacin relativamente uniforme entre 1440 a 1640 m/s. Esta variable es fundamental para la formacin dela imagen, ya que interviene en la relacin tiempo-distancia.

    Amplitud (A): Mxima variacin de una variable acstica. La unidad de medida depende la variable. Intensidad (I): Potencia por unidad de rea.

    Las variables f, T, A, I dependen de la fuente, c depende del medio y es determinado tanto por la fuente como porel medio.

    El rango audible del odo humano se encuentra en el rango de 20Hz a 20KHz aproximadamente. El rango defrecuencias inferiores se denomina infrasonido y a partir de los 20KHz se denomina ultrasonido.

    Relaciones importantes:

    = TfT

    1f

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    4/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 4

    = ff

    c

    2.2 Ultrasonido Pulsado.

    En la mayora de las aplicaciones mdicas se utiliza el ultrasonido en forma pulsada. En un pulso existen unos pocosciclos de ultrasonido. Cada pulso es producido por la aplicacin de impulsos elctricos sobre el transductor. En estecaso, adems de los trminos descriptos en el apartado anterior, aparecen los siguientes:

    Frecuencia de repeticin del pulso (PRF): es el nmero de pulsos que ocurren por unidad de tiempo. Unidad demedida: Hz.

    Periodo de repeticin del pulso: es el tiempo desde el comienzo de un pulso hasta el comienzo del siguientepulso. Es la inversa de PRF.

    Duracin del pulso: es el tiempo que dura el pulso. Normalmente tiene una duracin de 3 ciclos en ecografa y5-20 ciclos en ecodoppler. Como habitualmente se mide en ciclos, si se aumenta la frecuencia de emisin,disminuye el pulso de ultrasonido.

    Factor de Uso (duty factor): Es la relacin entre la duracin del pulso y el periodo de repeticin del pulso. Longitud Espacial del Pulso: es la distancia en el espacio que ocupa el pulso. Este se incrementa con lalongitud de onda y con el nmero de ciclos por pulso.

    La velocidad de propagacin no vara respecto a la onda continua. Sin embargo, el contenido de frecuencias esdiferente. En la onda continua existe una sola frecuencia y en onda pulstil existen otras componentes de frecuencia,adems de la frecuencia de operacin. Mientras menor sea la duracin del pulso mayor es el ancho de banda.

    Relaciones importantes:

    = pulsoderepeticindePeriodoPRFpulsoderepeticindePeriodo

    1PRF

    pulsoporciclosdenmero*ondadelongitudpulsodelespacialLongitud

    c*pulsoporciclosdenmero*frecuencia

    1pulsodelespacialLongitud

    c*pulsoporciclosdenmero*periodopulsodelespacialLongitud

    c*pulsodelduracinpulsodelespacialLongitud

    =

    =

    =

    =

    bandadeanchopulsodelduracin

    2.3 Atenuacin.

    La magnitud de las variables acsticas brindan una idea de la "fuerza" del sonido. Para realizar una valoracin seutiliza la amplitud y la intensidad. La amplitud es la mxima variacin que ocurre respecto del valor normal (sinsonido). La intensidad es la potencia de una onda dividida por unidad de rea sobre la cual la potencia es dispersada.

    La potencia es la velocidad con que se realiza trabajo o la energa transferida por unidad de tiempo. La potencia semide en Watts (W). Si la potencia que atraviesa el haz de ultrasonido es divida por el rea de dicho haz, se obtiene laintensidad promedio del haz. La intensidad en ultrasonido es medida en mW/cm2. La intensidad se utiliza para medirel haz emitido y recibido, y evaluar los efectos biolgicos y la seguridad.

    Para una potencia constante, la intensidad depende de la geometra del haz, y por lo tanto del transductor. Laintensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud, por lo tanto, una variacin de estos parmetros ser mayor enla primera que en la segunda variable.

    La intensidad vara espacialmente al atravesar el haz y temporalmente al utilizar ultrasonido pulsado.

    La atenuacin es el debilitamiento del sonido al propagarse en un medio. Esta limita la profundidad de la imagen yadems se debe compensar dentro del ecgrafo. Con un haz desenfocado en cualquier medio, la amplitud y laintensidad decaern cuando el sonido viaja a travs del medio. Esta reduccin en amplitud e intensidad recibe el

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    5/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 5

    nombre de atenuaciny abarca la absorcin, reflexin y dispersin. La absorcin es producida por la conversindel sonido en calor y es dominante en tejidos blandos. La reflexin y la dispersin son tiles para componer laimagen.

    La atenuacin se mide en decibeles (dB). El coeficiente de atenuacin es la atenuacin por cada centmetro de viajedel sonido y se mide en dB/cm. De este modo, mientras mayor sea el camino del haz, mayor ser la atenuacin. Losdecibeles son una buena medida de comparacin y se utiliza para medir la salida, el rango dinmico y la ganancia.

    El coeficiente de atenuacin se incrementa con la frecuencia. Para tejido blando, existe una atenuacin aproximadade 0,5 dB/cm/MHz. Conociendo la frecuencia e intensidad de emisin, y la longitud que atraviesa el ultrasonido entejido blando, es posible encontrar la intensidad recibida en un punto determinado.

    La atenuacin es mayor en el pulmn y en el hueso, respecto al tejido blando. En estas dos estructuras, no existedependencia directa con la frecuencia, por lo tanto, no es posible aplicar los conceptos anteriores.

    La consecuencia prctica de la atenuacin es su limitacin en la profundidad de la imagen. La penetracindisminuye a medida que aumenta la frecuencia segn muestra la Tabla 1. La profundidad de la imagen se calculaaproximadamente en 400 longitudes de onda. En la mayora de las aplicaciones que se utilizan para obtenerimgenes anatmicas se trabajan con frecuencias entre 2 y 10 MHz. Frecuencias superiores se utilizan paraaplicaciones especiales tales como exploraciones oftalmolgicas o intravasculares. Frecuencias inferiores se utilizan

    para grandes animales.Tabla 1: Valores comunes utilizados en US para diagnstico.

    Frecuencia

    [MHz]

    Longitud de Onda

    [mm]

    Coef.de Atenuacin

    [dB/cm]

    Prof. de Imagen

    [cm]

    2,0 0,77 1,0 303,5 0,44 1,8 175,0 0,31 2,5 127,5 0,21 3,8 810,0 0,15 5,0 6

    Relaciones importantes:

    ensidadintarea

    ensidadintpotencia

    atenuacinoultrasoniddelcamino

    atenuacinatenuacindeecoeficient

    )cm(ultasonidodelcaminox)MHz(frecuenciaxcm.MHz

    dB21)dB(atenuacin =

    2.4 Ecos

    La utilidad del ultrasonido como instrumento para la obtencin de imgenes anatmicas se debe a sus caractersticasde reflexin en las paredes de los tejidos y a la dispersin producida por la heterogeneidad de los tejidos.

    Cuando un haz incide sobre una superficie lo puede hacer en forma perperndicular (normal) o en forma oblicua. Elsonido que incide sobre una superficie se divide en dos: una parte reflejada hacia el primer medio y otra que estransmitida al segundo medio. La intensidad de cada parte depende de la intensidad del haz incidente sobre lasuperficie y la diferencia de impedancias entre ambos medios.

    La impedancia es igual a la densidad multiplicada por la velocidad de propagacin y su unidad de medida es el rayl .La impedancia depende de la densidad y de la rigidez del medio, pero es independiente de la frecuencia. El valor

    promedio de la impedancia en tejido blando es 1,63Mrayl.

    La fraccin del haz incidente que se refleja se denomina coeficiente de reflexin, mientras que para la fraccintransmitida se utiliza el coeficiente de transmisin. La suma de ambos debe ser 1. Para incidencia perpendicular, elcoeficiente de reflexin est definido por las impedancias de ambos medios:

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    6/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 6

    2

    12

    12

    incidente

    reflejada

    zz

    zz

    I

    Ireflexindeecoeficient

    +

    ==

    donde z1y z2son las impedancias de los medios a ambos lados de la interface. As, cuanto mayor sea la diferenciade impedancias mayor ser la intensidad reflejada y menor la intensidad transmitida. Se debe notar que la reflexintambin depende de la suma de ambas impedancias.

    Cuando existe una incidencia oblicua las direcciones de los haces reflejado y transmitido dependen del ngulo deincidencia. El ngulo del haz transmitido tambin depende de la velocidad de propagacin del US en ambos mediosy produce refraccin de caractersticas similares a la que ocurre en la ptica. Por otra parte, la intensidad de amboshaces resultantes est regido por una expresin ms compleja que la descripta anteriormente:

    2

    i1

    t2

    i1

    t2

    incidente

    reflejada

    cosz

    cosz

    cosz

    cosz

    I

    Ireflexindeecoeficient

    +

    ==

    donde i y t son los ngulos incidente y transmitido respectivamente. Ver Ilustracin 5.

    Ilustracin 5: Incidencia Oblicua.

    La refraccin es importante en diagnstico ya que produce errores de posicin, tal como ocurre con la luz en el agua.Relaciones importantes:

    c.Z)s/m(npropagacidevelocidadx)m

    Kg

    (densidad)rayl(impedancia 3=

    =

    3 Transductores.Los transductores son elementos que convierten la energa de una forma a otra. Un transductor ultrasnico convierteenerga elctrica en energa ultrasonica (mecnica) y viceversa. Los transductores ultrasnicos son el nexo entre elecgrafo que visualiza la imagen y el paciente. En esta seccin se describirn la construccin, operacin,caractersticas del haz, formatos de barrido y resolucin de los diferentes tipos de transductores.

    3.1 Construccin y operacin.

    Los transductores ultrasnicos (Ver Ilustracin 6) operan utilizando el principio de la piezoelectricidad. Este

    principio establece que algunos materiales producen un voltaje elctrico cuando se aplica una presin sobre ellos. Enforma recproca, cuando se aplica electricidad se produce una presin sobre el material que produce deformacionesmecnicas.

    Ilustracin 6: Diagrama de un Transductor Ultrasnico.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    7/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 7

    Los transductores modernos utilizan cermicas fabricadas artificialmente, como por ejemplo el PZT. Otrascermicas, como el cuarzo, no tienen naturalmente caractersticas piezoelctricas pero pueden ser adquiridasmediante la aplicacin de fuertes campos elctricos a altas temperaturas. Estos cristales normalmente estnacompaados por polmeros no-piezoelctricos que mejoran las caractersticas del haz con fines diagnsticos.

    Los transductores de un nico elemento tienen la forma de disco. Los elementos ubicados como arreglo lineal,tienen una forma rectangular. Cuando un voltaje elctrico se aplica entre dos caras del cristal, el espesor aumenta o

    disminuye de acuerdo a la polaridad. El conjunto de cristal, electrodos, material de amortiguamiento, material deacomplamiento recibe el nombre de transductor, sonda, cabeza de barrido, etc.

    Los transductores utilizados el ultrasonido pulsado pueden ser excitados de dos modos distintos: (1) utilizando unimpulso monofsico (shock-excited) o (2) mediante una onda bifsica (burst-excited)como se observa en laIlustracin 7. En el primer caso, al excitar el cristal se produce una onda de ultrasonido que opera a la frecuencia deoperacin del cristal.

    Ilustracin 7: Los dos modos de excitacin del cristal en US pulsado.A- Monofsico B-Bifsico

    La frecuencia de operacin del cristal o frecuencia de resonancia est definida por la velocidad de propagacin delsonido y el espesor del cristal. El valor de frecuencia es tal que el espesor del cristal abarca media longitud de onda.Por ejemplo, si la velocidad c=4mm/ s y el espesor es 1mm entonces =2mm y foperacin =c/ =2MHz. Los espesortpicos se encuentran entre 0,2 y 1mm.

    En el otro caso, el cristal es excitado con un ciclo de corriente alterna que produce una presin que acompaa lasvariaciones elctricas. La frecuencia del sonido es igual a la frecuencia de la onda elctrica aplicada la cual debe sercercana a la frecuencia de operacin del cristal.

    La frecuencia de repeticin del pulso es igual a la frecuencia de repeticin de la excitacin la cual es definida por elecgrafo. La duracin del pulso es igual al perodo de la onda de US multiplicado por el nmero de ciclos por pulso.Mientras menor sea la duracin del pulso se obtendr una mejor resolucin. Para lograr reducir la duracin del pulsose coloca un material de amortiguamiento (damping) cuya funcin es lograr atenuar rpidamente la excitacin delcristal. El problema del amortiguamiento es la reduccin de la amplitud del ultrasonido y por tanto el deterioro laeficiencia y la sensibilidad para detectar ecos dbiles. Normalmente con este mtodo se logra una duracin del pulsode uno a tres ciclos.

    Debido a que el elemento transductor es slido tiene una impedancia 20 veces mayor que la impedancia del tejidoblando. De este modo, si no existe compensacin, habra un gran reflexin en la interface piel-cristal tanto en laemisin como en la recepcin del US haciendo inviable el sistema. Para mejorar la interface, se coloca un materialde acoplamiento (matching) de una impedancia intermedia entre ambos medios. Esto reduce la reflexin y por lotanto mejora la transmisin. El espesor ptimo de la capa de acoplamiento es de la longitud de onda. El uso demltiples capas de acoplamiento mejora an ms la eficiencia en la transmisin.

    Otra forma de mejorar la transmisin es bajar la impedancia acstica del cristal permitiendo que la energa se dirijamayormente hacia el paciente. De este modo sera innecesario el material de amortiguamiento mejorandonotablemente la sensibilidad. Algunos transductores modernos utilizan este mtodo.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    8/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 8

    El aire tiene muy baja impedancia acstica, por lo tanto, una delgada capa de aire que exista entre el transductor y lapiel provocar la reflexin casi total del haz. Por esta razn, se coloca como medio de acoplamiento un gel acuosoque elimina la capa de aire y facilita el pasaje del sonido hacia el cuerpo.

    Los transductores normalmente trabajan a su frecuencia de operacin. Sin embargo, su caracterstica pulstilintroduce al ultrasonido un contenido en frecuencias adicional. Este rango de frecuencias recibe el nombre de ancho

    de banda (BW). Si el pulso es ms corto, mayor ser su ancho de banda. A partir del BW se definen dos valores:

    fraccionalbandadeancho

    1

    bandadeancho

    operacindefrecuenciaQfactor

    operacindefrecuencia

    bandadeanchofraccionalbandadeancho

    ==

    =

    La inclusin del amortiguamiento acorta la longitud del pulso, y por tanto aumenta el BW (). El factor Q esaproximadamente igual al nmero de ciclos del pulso. El BW total del sistema depende del transductor y de suelectrnica asociada.

    Ilustracin 8: Efecto del amortiguamiento.

    Si el transductor tiene una gran ancho de banda (Q=1.4) el mismo puede operar a diferentes frecuencias siempre quese utilice una excitacin bifsica. Esto permite variar las caractersticas de penetracin y resolucin sin necesidad decambiar el transductor. Es importante notar que las frecuencias de excitacin deben estar dentro del ancho de banda

    de operacin del transductor.Algunos transductores se fabrican para poder ingresar al cuerpo por diferentes vas: vagina, recto, esfago o vasossanguneos. De este modo se puede colocar el transductor prximo a la zona de estudio permitiendo trabajar conmayores frecuencias y ms resolucin.

    Relaciones importantes. operacindefrecuenciaespesor

    QfactorBWpulsodellongitud

    3.2 Haz de Ultrasonido.

    El pulso de US generado por un transductor en forma de disco est contenido en una zona que tiene forma de gota.El foco en esta zona est dado por el ancho o el dimetro. El haz de US es una descripcin de este dimetro desde su

    partida desde el transductor hacia el tejido.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    9/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 9

    El haz de un transductor en forma de disco vara su dimetro en funcin de la distancia. Para definir el ancho, setoma un valor relativo de intensidad respecto al valor mximo: 6dB(25%), 20dB(1%), 14dB (4%). Por simplicidadgeomtrica (Ver Ilustracin 9) se toma el ltimo valor. La regin que se extiende desde el elemento hasta suestrechamiento se conoce como campo cercano o zona de Fresnel. Su longitud depende de proporcionalmente de lafrecuencia y del cuadrado del dimetro del elemento:

    =

    cercanocampofrecuencia

    cercanocampodiametro

    D.f.Kcercanocampo 2

    Ilustracin 9: Dimetro del haz para un transductor en forma dedisco.

    La regin ubicada luego del campo cercano y que tiene su mismo tamao se conoce como campo lejano o zona deFraunhofer. El ngulo de dispersin del haz depende de la frecuencia y del dimetro del transductor.

    Como se observa en la Ilustracin 9, el haz de ultrasonido tiene un estrechamiento en el lmite entre ambas zonas,an cuando el transductor es plano y sin enfoque.

    Para los transductores en forma de disco y los anulares, el haz tiene el mismo dimetro en todas las direccionesperpendiculares al mismo. Sin embargo, para los arreglos lineales, convexos, etc. el dimetro es diferente para cadadireccin. Las caractersticas mencionadas son similares en transductores rectangulares, que se utilizan en lostransductores modernos.

    Los casos anteriores asumen una emisin continua, sin embargo, las consideraciones para trabajar en onda pulsadason similares (no idnticas). Por tal motivo, se puede asumir que lo expuesto es vlido para onda pulsada.

    La zona focal se especifica como la distancia entre dos puntos ubicados en el centro del haz cuyas intensidadesrepresentan alguna fraccin (25%) de la intensidad de pico en el foco. Otra forma de definir esta distancia es ubicarlas dos zonas donde el dimetro tiene K veces el valor mnimo que est ubicado en el foco.

    El dimetro del haz se reduce desde el transductor hasta la zona focal. La regin posterior a la zona focal tienemayor apertura. La distancia focal es la separacin entre el transductor y el centro de la zona focal. En trminoscualitativos, el foco se puede clasificar en corto, medio y largo en funcin del tamao de la zona focal o la distanciafocal. Normalmente estas dos variables se mueven coordinadamente.

    3.3 Enfoque.

    Para mejorar la resolucin lateral, el dimetro del haz puede ser reducido enfocando el sonido de manera similar a la

    ptica. Existen tres formas de enfoque: transductor curvo, transductor plano con lente acstica o arreglo de fase. Ladistancia focal debe ser menor que el campo cercano, es decir que slo se puede enfocar en esta zona.

    D

    D/2

    CampoCercano

    CampoLejano

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    10/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 10

    El haz de ultrasonido cuando se realiza un enfoque se estrecha ms que cuando no existe enfoque. El lmite paraestrechar el haz depende de la longitud de onda (frecuencia), el tamao del transductor y de la distancia focal. Esteespesor puede ser aproximado multiplicando la longitud de onda por el nmero f (f=distancia focal/dimetro deltransductor).

    Los mtodos que utilizan el transductor curvo o la lente acstica para el enfoque tienen un foco fijo a una distanciadefinida. Los equipos modernos utilizan enfoque electrnico por arreglo de fase que se describe en la siguienteseccin.

    3.3.1 Enfoque electrnico.

    El enfoque electrnico permite por una parte, enfocar el haz hacia una profundidad determinada (emisin), y porotra, recibir ecos de una posicin definida (recepcin). Para realizar estas operaciones se utiliza un arreglo decristales separados por una distancia muy pequea.

    Durante la emisin, se excitan los cristales con una pequea diferencia de tiempos para enfocar el haz a unadistancia especfica, comenzando con los ms exteriores primero y gradualmente se van activando todos hasta llegara los centrales. Como se observa en la Ilustracin 10, un incremento en la curvatura de los retardos acerca el focohacia el transductor, mientras que una disminucin produce un alejamiento del mismo. La modificacin del foco

    permite trabajar con mltiples focos para cada lnea de barrido manteniendo el haz lo ms estrecho posible en todala zona de estudio (emisin multifocal). De este modo, se envan varios pulsos en la misma direccin pero enfocadosen diferentes profundidades (Ver Ilustracin 11). Esto mejora la resolucin lateral que se analiza posteriormente.Debido a que por cada pulso se puede realizar un nico enfoque, mltiples focos requieren mltiples pulsos. Elequipo slo procesar los ecos de la zona focal para cada pulso, descartando el resto de los ecos, ya que los ecos deotras regiones sern procesados con otros focos. La imagen resultante es un montaje de los ecos de las zonas focalesde los diferentes pulsos. Sin embargo, el uso de mltiples focos por lnea de barrido toma ms tiempo, y la cantidadde cuadros por segundo (fps) disminuye. Es decir, que la resolucin espacial mejora a expensas de una prdida en laresolucin temporal.

    Ilustracin 10: Enfoque electrnico por variacin de fase.

    Ilustracin 11: Emisin Multifocal.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    11/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 11

    Oscilante

    El ancho del foco depende de la apertura, la distancia focal y la longitud de onda. Para mantener el mismo ancho delhaz en el foco para distancias focales mayores, la apertura debe ser tambin mayor. Esto se denomina aperturadinmica. Esto implica que en un arreglo de fase, no todos los elementos del arreglo son utilizados para generar los

    pulsos. El nmero de elementos utilizados se incrementar con la distancia focal.

    Hasta este momento se ha descripto el mecanismo de emisin del haz de US. En el caso de la recepcin de los ecos,las seales de salida de cada elemento se pueden retardar y posteriormente sumar la resultante. El retardo controladode cada elemento permite que el transductor sea ms sensible a una determinada zona. El foco de recepcin puedeser ajustado continuamente en funcin de la zona que se est analizando en un determinado momento. Este tipo deenfoque de recepcin se denomina enfoque dinmico. Cada elemento o cristal, el retardo y el amplificadorconstituyen un canal. Mientras mayor sea el nmero de canales mejor ser la calidad del enfoque dinmico. Parahacer una analoga del enfoque dinmico se puede analizar el caso de una cmara de video que est enfocandocontinuamente a un objeto que se desplaza hacia ella. En ese caso, el enfoque dinmico permite obtener una imagencon detalle del objeto.

    La combinacin de la transmisin multifocal junto al enfoque dinmico permiten mejorar la resolucin de la imagenen un amplio rango de profundidades. El conformador del haz es el encargado de realizar ambas operaciones.

    El arreglo anular de fase o arreglo anular est construido con mltiples elementos concntricos (Ver Ilustracin 12).El disparo coordinado de todos los elementos permite realizar el enfoque hacia una profundidad determinada. En

    este caso, el enfoque se realiza en todas las direcciones, no slo en el plano del corte. El haz de US tiene una formacnica. Por las caractersticas constructivas, este transductor no puede realizar el barrido en forma electrnica, por lotanto, se debe realizar mecnicamente (ver seccin siguiente).

    Ilustracin 12: Arreglo anular.

    3.4 Barrido Automtico.

    El transductor no slo debe emitir y recibir los ecos, sino que adems es responsable de enviar pulsos de ultrasonidoen diferentes direcciones para generar la imagen ecogrfica. Esta operacin se llama barrido (scanning, sweeping,steering) del haz, y es realizado por medios mecnicos o electrnicos. Esta operacin se realiza rpida yautomticamente generando mltiples imgenes por segundo presentando la ecografa en tiempo real.

    El barrido mecnicopuede lograrse con un elemento transductor oscilante, un elemento o grupo de elementos quegiran, o bien por un reflector oscilante (Ver Ilustracin 13). Todos los componentes oscilantes y/o rotatorios debenestar inmersos en un lquido de acoplamiento acstico dentro del transductor. De este modo, el transductor est fijoy los cristales estn en movimiento barriendo uniformemente la zona de estudio.

    Ilustracin 13: Barrido mecnico.

    El barrido electrnico es realizado con arreglos de elementos. Estn formados por un grupo de cristales y seencuentran en la mayora de los equipos modernos. Los elementos pueden ser rectangulares ubicados en forma

    lineal (arreglo lineal) o curva (arreglo convexos). Otros tienen forma de anillos concntricos y se denominanarreglos anulares.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    12/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 12

    El modo ms simple de utilizar un arreglo lineal es en forma secuenciada. Los arreglos lineales secuenciadosaplican una excitacin por grupos de transductores adyacentes. Esta excitacin va desplazndose de un extremo aotro. De esta forma, cada grupo de elementos acta como un gran cristal que se mueve a lo largo del transductor,

    pero lo realiza rpida y consistentemente sin involucrar partes mviles ni lquido de acoplamiento. El barrido serealiza a una velocidad adecuada para generar una ecografa en tiempo real. La apertura es el tamao del grupo deelementos excitados, mientras que el ancho de la imagen es aproximadamente igual a la longitud del arreglo. Loselementos tienen un ancho de una longitud de onda. La imagen obtenida consiste en lneas de barrido paralelas

    producidas por pulsos originados en diferentes puntos de la superficie del transductor pero en direcciones paralelas.Esto produce una imagen rectangular.

    La secuencia de disparo depende de la cantidad de elementos (n) y del nmero de elementos por grupo (m). De estemodo, si se tienen n=8 elementos y el grupo tiene m=4 elementos entonces el nmero de lneas de barrido es L=n-(m-1)=5 (Ver Ilustracin 14). Si n=128 y m=4 entonces L=125. Esta aparente prdida de lneas se compensa conuna disminucin de la dispersin del haz. Si se dispararan en forma individual los elementos, se tendra una apertura

    pequea, gran dispersin y por lo tanto, prdida en la resolucin. Otro modo de disparar los grupos para obtenermayor nmero de lneas de barrido es disparar alternadamente en grupos de 3 y 4 elementos logrando un resolucinde medio elemento.

    Ilustracin 14: Barrido electrnico secuenciado.

    El arreglo convexo secuenciado est construido como una sucesin de elementos ubicados en forma curva. Suoperacin es idntica al arreglo lineal secuenciado, pero debido a su construccin, los pulsos viajan en diferentesdirecciones, produciendo una imagen con forma sectorial.

    El uso de la fase puede aplicarse tambin a los arreglos secuenciados, lineales o convexos, para controlar el focoelectrnicamente (Ver seccin anterior). En este caso, el barrido sigue realizndose secuencialmente mientras que elfoco es controlado modificando los tiempos de excitacin o la fase del grupo de elementos (Ver Ilustracin 16). Estetipo de transductores se denominan arreglos de fase lineales o convexosrespectivamente.

    El arreglo de fasecontiene una lnea compacta de elementos con un ancho de cuarto de longitud de onda. Se operacon la aplicacin de una excitacin en todos (o casi todos) los elementos del transductor, pero con una pequeadiferencia de tiempo entre ellos (menor a 1s), de modo que el pulso de US resultante se dirija hacia una direccinespecfica (Ver Ilustracin 15). Estas diferencias de tiempo son automticamente cambiadas para cada pulso, y deesta forma se logra dirigir el haz en diferentes direcciones. La posibilidad de modificar la direccin del haz permitehacer un barrido para obtener una imagen sectorial de los tejidos. El enfoque de este transductor tambin se realiza

    por variacin de fase.

    Ilustracin 15: Barrido electrnico por variacin de fase.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    13/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 13

    Ilustracin 16: Arreglo de fase lineal.

    Otra alternativa que se aplica a los arreglos de fase secuenciados es realizar el barrido no slo con el agrupamientode los elementos sino con la modificacin de la fase. Este tipo de transductor se denomina arreglo vectorial. Enresumen, este transductor realiza el barrido en forma secuenciada y por fase simultneamente, y adems compone elfoco por fase. Este barrido combinado se utiliza en ecodoppler para obtener un formato de barrido con unaconformacin de paralelogramo.Cada lnea de elementos de barrido puede enfocar o barrer el haz slo en el plano de los elementos. Para lograr elfoco en el plano perpendicular a este, es necesario aplicar alguno de los mtodos de enfoque descriptos

    anteriormente: lentes, elementos curvos o la incorporacin de ms conjuntos de elementos ubicados paralelamente alos descriptos anteriormente.Un problema que tienen los arreglos es que generan ms lbulos que los transductores monoelemento. Una forma dedisminuir la potencia de estos lbulos es aplicar excitaciones de diferente voltaje para cada elemento (apodization eningls).

    A partir de la descripcin de cada tipo de transductor, se puede deducir el formato de la imagen o formato de barridoque se obtendr de cada transductor (Ver Ilustracin 3). Los transductores mecnicos o anulares, por el modo en elque realizan el barrido pueden producir slo imgenes sectoriales. Los arreglos lineales, ya sean secuenciados o defase producen imgenes rectangulares. Los arreglos curvos, secuenciados o de fase producen imgenes sectoriales.Los arreglos de fase generan un formato sectorial. Los arreglos vectoriales son los ms completos y pueden generarformas rectangulares, sectoriales o de paralelogramo. Existen otros arreglos que tienen elementos ubicados en formade circunferencia y producen formatos de sector circular (transductores intravasculares).

    A partir de los conceptos de esta seccin y la anterior, la Tabla 2 conforma un resumen de las principalescaractersticas de los transductores analizados.

    Tabla 2: Caractersticas de los Transductores.

    Enfoque Barr ido Tipo de Tr ansductor

    Lente Acst ica Var iacin de

    Fase

    Mecni co Secuenci ado Var iaci n de

    Fase

    Mecnico X X

    Arreglo LinealSecuenciado

    X

    Arreglo CurvoSecuenciado

    X

    Arreglo Lineal deFase

    X X

    Arreglo Curvo deFase

    X X

    Arreglo de Fase X X

    Arreglo Vectorial X X X

    Arreglo Anular X X

    En funcin de la estructura anatmica a estudiar, se utilizan diferentes transductores y frecuencias. En las estructuraspequeas y superficiales (tiroides, mamas, testculos, etc.) se utilizan altas frecuencias (7 a 10MHz) y formatosrectangulares (ver Ilustracin 17-a). En las estructuras profundas, de gran tamao o de acceso reducido (ventana

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    14/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 14

    pequea) se utilizan bajas frecuencias (2, 3,5 o 5 MHz) y formato sectorial (ver Ilustracin 17-b). Existentransductores de aplicacin intravascular que trabajan a frecuencias muy altas (20 a 40MHz) y utilizan un formatode sector circular (ver Ilustracin 17-c).

    Ilustracin 17: Ejemplos de exploraciones.

    3.5 Resolucin espacial.

    Existen tres aspectos a tener en cuenta en la resolucin del imagen: resolucin espacial, resolucin de contraste yresolucin temporal. Los dos ltimos aspectos sern expuestos ms adelante.Si dos reflectores no estn suficientemente separados, ellos no producirn ecos separados, y por tanto no sevisualizarn como dos objetos diferentes en la pantalla. Adems, el ecgrafo produce una degradacin adicional quedisminuye la resolucin espacial an ms.Por sus caractersticas particulares, en ecografa la resolucin espacial se puede separar en dos: resolucin axial y

    resolucin lateral. La primera est vinculada a resolver objetos en la direccin del haz, mientras que la segunda estrelacionada a separar dos objetos en direccin perpendicular al haz.La resolucin axial se define como la distancia mnima que debe existir entre dos reflectores en la direccin de haz

    para producir ecos separados. Un parmetro que influye directamente en su determinacin es la longitud espacial delpulso. En la Ilustracin 18 se muestran tres ejemplos donde la longitud espacial del pulso es diferente y estrepresentada por las flechas. Se puede observar que si la separacin entre dos reflectores es mayor a la mitad de lalongitud espacial del pulso, es posible observar ambos objetos en forma diferenciada. Sin embargo, si la separacines menor, los ecos de ambos reflectores estarn solapados y se visualizarn como uno solo.

    Ilustracin 18: Resolucin axial.

    2pulsodelespaciallongitudaxialresoulcin =

    Para mejorar la resolucin axial hay que disminuir la longitud espacial del pulso. Como se mencion anteriormente,este parmetro depende directamente de la longitud de onda y del nmero de ciclos que contenga el pulso. Por lo

    Ecosseparados

    SituacinLmite

    Ecossolapados

    Long.Esp.del Pulso Long.Esp.

    del Pulso

    Long.Esp.

    del Pulso

    a

    b

    c

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    15/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 15

    tanto, un incremento de la frecuencia producir una disminucin de la longitud de onda y de la longitud espacial delpulso. El nmero de ciclos puede ser disminuido si se modifica el material de amortiguamiento (damping). Sinembargo, como inconveniente se puede aclarar que un incremento en la frecuencia disminuye la penetracin, y unadisminucin del nmero de ciclos aumenta el ancho de banda. Un incremento en el ancho de banda puede causarinconvenientes en la determinacin de la velocidad en instrumentos doppler (ver Documento: Ecodoppler).

    Para una gama amplia de aplicaciones en medicina, los valores ms utilizados de frecuencia oscilan entre 2 y 10

    MHz. La porcin inferior del rango se utiliza cuando se necesita incrementar la profundidad (personas obesas) ocuando la atenuacin es grande (estudios transcraneales). Los valores altos de frecuencia se utilizan cuando senecesita gran resolucin a poca profundidad (mamas, ojo, tiroides, vasos superficiales, pacientes peditricos). En lamayora de los pacientes 3,5MHz es una frecuencia adecuada, mientras que en pacientes peditricos se utilizanvalores entre 5 y 7,5MHz. Valores menores a 2MHz afectan a la resolucin axial mientras que valores superiores a10MHz producen gran atenuacin. En el caso de imgenes oftalmolgicas o intra vasculares donde se necesita granresolucin a muy corta distancia se utilizan valores hasta 40MHz. En la Tabla 3 se detallan valores de referencia.

    Tabla 3: Valores de referencia de frecuencia, profundidad yresolucin axial. Longitud espacial del pulso = 2 longitudes de onda.

    Frecuencia

    [MHz]

    Prof . de Imagen

    [cm]

    Resoluci n Axial

    [mm]

    2,0 30 0,77

    3,5 17 0,445,0 12 0,317,5 8 0,2110,0 6 0,15

    La resolucin lateral es la mnima separacin entre dos objetos (reflectores) en direccin perpendicular al haz tal queproduzcan ecos separados durante el barrido del haz. Su valor est definido por el ancho del haz en el plano debarrido.

    hazdelancholateralresoulcin =Como el ancho del haz vara con la profundidad, la resolucin lateral tambin. Si la separacin entre dos reflectoreses mayor que el dimetro del haz, se producirn dos ecos separados al producirse un barrido del haz. La resolucinlateral puede modificarse enfocando el haz. En el foco del haz es donde se obtiene la mejor resolucin lateral.

    Si bien las resoluciones espaciales, tanto axial como lateral, se definieron estrictamente en trminos matemticos,existen factores adicionales que modifican estas definiciones. Por un lado, una mejora en la resolucin de contrastefavorece la resolucin espacial. Es decir, existe una dependencia entre estos dos factores. Por otra parte, laresolucin espacial obtenida por el transductor puede afectarse con el sistema de visualizacin, si este no tiene unaresolucin adecuada para mostrar la imagen ecogrfica obtenida con el transductor.

    4 El Ecgrafo .

    En las secciones anteriores se describi la fsica del ultrasonido y los transductores utilizados en aplicacionesmdicas. En este apartado se describirn los equipos encargados de generar los pulsos y recibir las seales de losecos para su visualizacin.Para poder conformar una imagen por ultrasonidos se utiliza la tcnica de pulso-eco. Esta tcnica consiste en lageneracin del pulso, la propagacin y reflexin del ultrasonido en el medio y la recepcin del eco. Losinstrumentos que realizan esta tarea determinan la amplitud del eco y su ubicacin en el espacio. A partir de esta

    informacin se genera la imagen por ultrasonido que se visualiza en la pantalla del equipo.El diagrama general del equipo se ilustra en la Ilustracin 19.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    16/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 16

    Ilustracin 19: Diagrama general del ecgrafo.

    4.1 Conformador del Haz.

    En la seccin 3 se estudiaron los diferentes tipos de transductores con sus respectivas formas de enfoque y barrido.El conformador del Haz es el encargado de coordinar el sincronismo en la excitacin de los cristales y la recepcinde los ecos con el objetivo de poder dirigir el haz (Barrido) y enfocar diferentes profundidades. El conformador delhaz es controlado por el controlador central para operar coordinadamente con el Convertidor Digital de Barrido,Receptor, Pulser, etc. El conformador se encarga de realizar el enfoque dinmico de recepcin, el barrido,

    "apodization" y las funciones de apertura como se describi anteriormente.

    4.2 Pulser

    El pulser es el dispositivo encargado de producir el voltaje elctrico que excita al transductor. Como se observ en laIlustracin 7 y en la respectiva seccin, existen dos modos de excitacin: un impulso o una onda bifsica. Una sealdesde el pulser es enviada hacia el receptor y la memoria cuando se produce la excitacin. La frecuencia derepeticin del pulso (FRP) de excitacin oscila entre 4 y 10 KHz. La situacin ideal sera un valor alto de FRP, sinembargo, se encuentra limitada por el tiempo necesario para el arribo de los ecos. Una imagen de estructuras

    profundas provocar una reduccin de la FRP y de la frecuencia de repeticin de cuadros.

    4.3 Receptor.

    La seal elctrica producida en el transductor debida a los ecos recibidos se enva a travs de un conformador de hazy luego es enviada al receptor donde se realizan cinco funciones bsicas: amplificacin, compensacin, compresin,demodulacin y rechazo. Aunque todos los receptores realizan estas funciones, el orden de las mismas puede variaro bien pueden fusionarse varias en el diseo. Sin embargo, para una mejor comprensin es conveniente describirlas

    por separado.

    La amplificacin es la conversin de las seales dbiles de baja tensin recibidas por el transductor en sealesadecuadas para el procesamiento y almacenamiento. La ganancia es la relacin entre las potencias de salida yentrada, y puede ser expresada en decibeles. Los amplificadores habitualmente tienen ganancias entre 60 a 100 dB.De este modo, la tensin de entrada proveniente del transductor del orden de los microvoltios se amplifica a voltajesdel orden de los voltios.

    El control de la ganancia determina el grado de amplificacin del receptor. Si la ganancia es pequea, no sevisualizan los ecos dbiles. Por el contrario, si la ganancia tiene un valor alto, se produce saturacin y no se puedenobservar las diferencias entre las distintas estructuras.

    ReceptorConversorAnalgico

    Digital

    BufferTempor

    al

    ConvertidorDigital de Barrido

    (DSC)

    Memoriade Imagen

    Post-procesado

    Cineloop

    Monitor

    Pulser

    ControlCentral

    Transductor AlmacenamientoAnalgico o Digital

    Conformadordel Haz

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    17/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 17

    Para reducir el ruido se utilizan tambin amplificadores sintonizados. Estos operan a una frecuencia especfica conun estrecho ancho de banda, lo cual reduce el ruido.

    Para incrementar la sensibilidad del receptor se utilizan etapas de preamplificacin. Parte de la amplificacin serealiza con un pequeo amplificador colocado dentro de la estructura del transductor. De esta forma, la seal de lostransductores se amplifica antes de entrar al cable que une el transductor con el equipo. Esto mejoraconsiderablemente la relacin seal-ruido.

    La compensacin ecualiza las diferencias en las amplitudes de los ecos recibidos debido a la profundidad de cadareflector. Los reflectores que tengan igual coeficiente de reflexin no producirn ecos de igual amplitud al arribar altransductor si las distancias de viaje son diferentes. Esto se debe a la dependencia de la atenuacin con el caminorecorrido por el US. Sin embargo, es deseable visualizar del mismo modo los ecos de reflectores de las mismascaractersticas independientemente de la profundidad. Para lograr este objetivo, se ajustan las amplitudes paracompensar las diferencias de caminos. Por lo tanto, una vez que se realizo la excitacin del cristal, los ecos quearriban ms tarde son ms amplificados que los primeros para compensar la atenuacin. Este es el objetivo de lacompensacin.

    La compensacin tambin recibe el nombre de compensacin de tiempo, ganancia variable con el tiempo, controltemporal de la sensibilidad, compensacin de tiempo-ganancia, compensacin de ganancia-profundidad.

    La tasa de incremento de la ganancia con la profundidad se puede ver grficamente como una lnea a un lado de lapantalla (ver Ilustracin 20). La ganancia es expresada en decibeles por centmetro de profundidad. Cuando lacompensacin se realiza adecuadamente esta grfica indica la atenuacin por centmetro de profundidad. Losvalores mximos de atenuacin alcanzan los 60dB. La compensacin es controlada por el usuario de acuerdo a lafrecuencia de operacin y al tipo de estructura anatmica estudiada. Este control se realiza mediante un conjunto de

    potencimetros lineales ubicados a un lado del equipo.

    Ilustracin 20: Compensacin.

    La compresin es el proceso por el cual se reduce la diferencia entre los ecos de mayor y menor amplitud (ver

    Ilustracin 21). Esto se realiza mediante un amplificador logartmico que amplifica ms los ecos dbiles sobre losfuertes. La relacin entre ambos ecos, tanto amplitud como en potencia se denomina rango dinmico. Por ejemplo,si un amplificador es insensible a voltajes inferiores a 0,01mV y produce saturacin a tensiones superiores 1000mV,la relacin de voltajes es 100.000 y la relacin de potencias es (100.000)2. El rango dinmico del ejemplo anterior esde 100dB.

    Aunque los amplificadores trabajan con rangos dinmicos de 100 a 160dB, otras partes de la electrnica (como elmonitor) no lo pueden hacer. Por otro lado, los ojos humanos pueden manejar un rango dinmico de 20dB. Laszonas de mayor potencia (brillo de la pantalla) pueden ser slo 100 veces mayores que las zonas de menor potencia.En valores de amplitud esta relacin es solamente de 10. El valor del rango dinmico luego de la compensacinoscila entre 50 a 100dB. Un compresor debe ser capaz de llevar el rango dinmico a valores adecuados para lavisualizacin (20dB).

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    18/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 18

    Ilustracin 21: Compresin.

    La demodulacin, tambin llamada deteccin de amplitud o de envolvente, es el proceso de convertir los voltajesque representan los ecos de una forma (radiofrecuencias RF) a otra (seal con la amplitud de los ecos). Esto serealiza mediante la rectificacin y filtrado pasabajos de la seal de radiofrecuencias (ver Ilustracin 22).

    Ilustracin 22: Demodulacin.

    El rechazo, tambin llamado supresin o umbralizacin, elimina los pulsos de voltaje pequeo producido por ecosdbiles o ruido electrnico. Los ecos dbiles pueden producirse por los lbulos laterales de emisin o pordispersiones mltiples, y por tanto constituyen ruido acstico. El ruido electrnico proviene de los circuitoselctricos, an aquellos de alta calidad. Por lo expuesto anteriormente, se prefiere eliminar estos ruidos de la imagendebido a que no contribuyen con informacin til e interfiere con la visualizacin de la informacin de inters.

    De las operaciones realizadas por el receptor, la amplificacin y la compensacin siempre las ajusta el usuario. Lademodulacin no depende del operador. El rechazo a veces permite ajuste de diferentes modos: modificando elrango dinmico o el control de la compresin logartmica. Este control reasigna los valores de amplitud de los ecos

    para tener un rango dinmico ms pequeo reduciendo alguno de los ecos dbiles a cero.

    4.4 Convertidor A/D y buffer.

    Para poder almacenar la informacin en una memoria digital, la seal a la salida del demodulador debe pasar atravs de un conversor analgico digital. Sin embargo, varios instrumentos realizan esta conversin en diferentes

    puntos del sistema.

    La informacin del conversor A/D es almacenada en una memoria temporal (Buffer) de tipo FIFO (First Input, FirstOutput). Cada lnea de Barrido se mantiene en esta memoria antes de ser procesada por el Convertidor Digital deBarrido.

    4.5 Convertidor digital de barrido.

    El convertidor digital de barrido se encarga de adaptar cada lnea de barrido para poder obtener una presentacin enpantalla segn la geometra de barrido definida por el Transductor y el Conformador del Haz. De esta forma, el

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    19/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 19

    convertidor digital de barrido se encarga de transformar la informacin de los ecos obtenida a la salida del conversoranalgico digital en coordenadas cartesianas que representen adecuadamente la ubicacin de cada eco.

    A modo de ejemplo, si se supone que las lneas de barrido forman una imagen (distorsionada), el convertidor digitalde barrido sera un dispositivo que realiza una transformacin geomtrica que corrige la imagen obtenidainicialmente. Esto se observa en la Ilustracin 23.

    Ilustracin 23: Convertidor digital de barrido.

    4.6 Memoria de la Imagen.

    El almacenamiento en memoria de cada imagen obtenida por el barrido del haz permite visualizar las mismas enun monitor en forma secuencial y en tiempo real. Una determinada imagen se puede mantener en el monitor (freeze

    o congelamiento de cuadro). Algunos instrumentos tienen capacidad de memoria suficiente para almacenar varioscuadros o imgenes. Estas imgenes luego se pueden visualizar en forma secuencial lo que se denomina cine o cine-loop.

    Para una matriz de 512x512 en la cual se representan estructuras con profundidades hasta 20cm, cada pixelrepresenta 0,4mm. Si la profundidad fuera 10cm, sera 0,2mm por pixel. Estos valores representan la resolucinespacial de la memoria. Si bien se pueden elegir representaciones pequeas de cada pixel, la resolucin espacial estlimitada por la longitud espacial del pulso y por el ancho del haz de US, tal como se describi anteriormente.

    La cantidad de bits de cada elemento de memoria est relacionada directamente con la resolucin de contraste, quees la capacidad visual de observar pequeas diferencias de amplitud entre ecos de tejidos adyacentes. En la Tabla 4se puede ver la diferencia porcentual entre cada nivel de gris de acuerdo al rango dinmico deseado y al nmero de

    bits utilizados. Mientras menor sea el rango dinmico y mayor el nmero de bits, mejor ser la resolucin decontraste.

    Tabla 4: Resolucin de contraste vs. cantidad de bits. (60dB de RangoDinmico)

    B its por p ixel Decibeles por n i vel D i ferencia porcen tual

    4 3.8 1405 1.9 556 0.9 237 0.5 128 0.2 5

    Convertidor Digital de Barrido(Transformacin Geomtrica)

    Buffer Memoria de Imagen

    Lneas de Barrido

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    20/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 20

    4.7 Procesamiento.

    El procesamiento se puede dividir en dos partes el pre-procesamiento y el post-procesamiento. El primero incluyetodas las operaciones realizadas antes del almacenamiento en la memoria de la imagen, mientras que el otrocorresponde a las operaciones realizadas a partir de la imagen en memoria.

    Es posible reconocer si una operacin es realizada en el pre o post procesamiento. Si la operacin no puede serrealizada sobre una imagen congelada, la funcin es aplicada durante el pre-procesamiento. De lo contrario, la

    misma corresponde al post-procesamiento.

    Por ejemplo, la magnificacin o zoom es una operacin que puede realizarse antes o despus del almacenamiento enmemoria. Cuando la magnificacin se realiza a partir de la imagen en memoria (magnificacin de lectura), laoperacin consiste en visualizar cada pixel de la imagen con un tamao mayor, y visualizar slo una zona dememoria. La magnificacin durante el preprocesamiento se incluye en algunos equipos. Esta se denominamagnificacin de escritura debido a que una pequea estructura anatmica ocupa en forma directa toda la memoriade la imagen sin necesidad de agrandar los pixeles. La calidad de esta magnificacin es mejor.

    La mayora de los sistemas permiten el ajuste de brillo y contraste por parte del operador. Esto se puede realizarutilizando esquemas de ajuste lineales o bien, modificar la curva entrada-salida de niveles de gris. Es decir,modificar la funcin que define la operacin puntual. Ejemplos de diferentes curvas se observan en la Ilustracin 24.

    Esto permite realzar pequeas diferencias en la amplitud de los ecos que pueden ser crticas para reconocerestructuras de inters diagnstico.

    Ilustracin 24: Diferentes curvas de entrada-salida.

    Para propsitos de medicin, la mayora de los equipos incluyen cursores o marcadores (cruces, crculos, etc.) paradefinir escalas o para calcular distancias o reas definidas por el usuario.

    Adems de las tcnicas convencionales, los ecgrafos computarizados (modernos) incorporan mdulos de Softwareespecficos para cada especialidad. Existen mdulos para obstetricia, cardiologa, etc

    4.8 Visualizacin.

    Los instrumentos de tiempo real deben producir muchas imgenes por segundo. Esto requiere el uso detransductores con barrido mecnico o electrnico. El nmero de imgenes por segundo se denomina frecuencia decuadros. Una frecuencia de cuadros alta implica la visualizacin de cambios continuos en la imagen. Cuando secongela un cuadro, no ingresa ms informacin a la memoria y el ltimo cuadro es continuamente visualizado. Lavisualizacin en tiempo real brinda una adquisicin rpida y adecuada de cada cuadro, con la visualizacin continuade los cambios conforme el haz de US realiza el barrido. De este modo, es posible visualizar en dos dimensiones elmovimiento de las estructuras. Mientras mayor sea la frecuencia de cuadros mejor ser la resolucin temporal, quees la capacidad de distinguir eventos cercanos en el tiempo.

    La repeticin de cada cuadro depende de la Frecuencia de Cuadros(FC). Cada cuadro se compone de un cierto

    nmero de lneas de barrido (NLB), y cada lnea de barrido se puede conformar por un o ms focos (NF). Para cadafoco en cada lnea de barrido se requiere un pulso. La frecuencia de repeticin de pulsos (FRP) se puede determinara partir de los tres parmetros anteriores:

    Entrada.

    Salida.

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    21/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Juan Pablo Graffigna 21

    NFxNLBxFCFRP=Por otro lado, se determin en secciones anteriores que la FRP est condicionada a la profundidad (P) de lasestructuras en estudio mediante la siguiente ecuacin:

    2

    cPxFRP

    donde c es la velocidad de US en el medio (1540m/s o 154000cm/s). Por lo tanto, es posible definir una relacin decompromiso entre cuatro parmetros:

    [ ] [ ] 000.77NFxNLBxHzFCxcmP A partir de esta relacin se puede concluir que un aumento de la profundidad, una ampliacin del ancho de laimagen (NLB) o un incremento en el nmero de focos para lograr mejor resolucin espacial reducen necesariamentela frecuencia de cuadros. Es decir que empeora la resolucin temporal.

    Los dispositivos de visualizacin son los monitores. Estos pueden ser externos o internos. Los externos utilizannormalmente seales de video estndar (PAL o NTSC) y la FC est limitada en 25 o 30 cuadros por segundo.Cuando el monitor es interno, la electrnica del equipo permite operar con ms resolucin espacial y temporal quelas ofrecidas por los estndares de video.

    La mayora de los equipos traen una salida analgica de video que permite conectar el equipo a impresoras (VideoPrinter) o grabadoras (Videocaseteras). Debido a su naturaleza digital intrnseca, los ecgrafos actuales incorporan

    salidas digitales normalizadas (DICOM) o no. En la Ilustracin 25 se pueden observar los diferentes dispositivos desalida.

    Ilustracin 25: Dispositivos de Salida.

    4.9 Modos.

    Existen diversas formas de mostrar la informacin en la pantalla. El ms comn es el modo brillo, modobidimensional, Modo B, Scan B o escala de grises. En cardiologa tambin se utiliza el modo movimiento o modoM. En oftalmologa se puede utilizar tambin el modo amplitud o modo A.

    La operacin del modo B produce una variacin del brillo de cada punto en la imagen en funcin de la informacinde cada pixel de memoria obtenida de la amplitud de los diferentes ecos. En este modo, se emiten pulsoscontinuamente variando la direccin del haz. La sucesin de ecos recibidos por cada pulso (o conjunto de pulsos)emitido en una direccin recibe el nombre de lnea de barrido. La memoria se llena con cada lnea de barridoobtenida de atravesar el tejido en diferentes direcciones produciendo la imagen de un corte de la estructura enestudio. El corte corresponde al plano donde se desplaza el haz de US. Cada imagen corresponde a un cuadro. Alrepresentar varios cuadros por segundo se producen imgenes dinmicas o de tiempo real.

    La imagen de Modo B es conocida como scan tomogrfico (tomo es corte). Actualmente todos los barridos son detiempo real, se barre constantemente la zona y se actualiza constantemente la imagen en pantalla. Se aplica en zonasde tejido blando y NO es til en estructuras seas o aire (sombra acstica) debido a su gran atenuacin y/odiferencias de impedancia acstica. Se utiliza en Obstetricia, Ginecologa, Estudios abdominales, Cardiologa,Estudios intracavitarios, etc. Algunos ejemplos se muestran en la

  • 7/22/2019 Ecografia Todo Teoria

    22/22

    Imgenes en Medicina-UNSJ Ecografa Ver 1.0-5/2003

    Ilustracin 26: Imgenes de Modo B.

    Algunos instrumentos tienen la capacidad de presentar diferentes intensidades de eco en distintos colores en lugar deniveles de gris. Debido a que el ojo puede detectar mejor diferencias de tono que de intensidades de brillo, lavisualizacin con colores ofrece una resolucin de contraste mejorada. Esta forma de representar la imagen se

    denomina modo B Color o modo escala de colores. Es el nico modo que utiliza color dentro de la EcografaConvencional (no incluye Ecodoppler).

    Otro modo habitual de visualizacin para mostrar las estructuras cardacas es el Modo M. Este modo muestra parauna determinada direccin del haz, la profundidad en funcin del tiempo. A partir de una imagen de Modo B, seselecciona una lnea de barrido y posteriormente el equipo repite esa lnea de barrido en el tiempo. El modo Breferencia a la imagen de Modo M. Estas imgenes se utilizan para estudiar las vlvulas y las paredes cardacas.

    Ilustracin 27: Imagen de Modo M.

    El modo A fue el primer mtodo en implementarse. Una vez que se emite el pulso de US y se reciben los ecos, sevisualiza la envolvente de los ecos en funcin del tiempo, tal como se observa en un osciloscopio. El sincronismo dela seal se realiza con el pulso de US. El analisis es unidimensional ya que caracteriza al tejido slo en la direccindel transductor, el cual se encuentra fijo. Si bien se grafica amplitud en funcin del tiempo, es posible hacer unacorrespondencia tiempo/espacio utilizando las ecuaciones descriptas anteriormente. En los comienzos del barrido, eltransductor est an reberberando y adems est recibiendo ecos de gran amplitud.(Initial Bang-Estampido

    inicial). Esta respuesta puede ser atenuada o limpiada, sin embargo es til para marcar el comienzo del tejido aanalizar. El modo A ha sido de gran utilidad en ecoencefalografa en la deteccin de tumores o hemorragias. Enoftalmologa es utilizado para determinar tamao, patrones de crecimiento y para detectar tumores, otras patologaso ubicacin de objetos extraos. El pequeo tamao del transductor lo hace ptimo para esta aplicacin. Debido a la

    pequea profundidad de penetracin se pueden utilizar altas frecuencias (5-15 MHz)

    Bibliografa Kremkau, Frederick: Diagnostic Ultrasound. Principles and Instruments. 5ta Edicin. Ed WB Saunders. 1998. Weyman, Arthur: Principles and Practice of Echocardiography. 2da Edicin. Ed Lea & Febiger. 1994. Krestel, Erich: Imaging Sistems for Medical Diagnositics. Siemens 1990.

    Mompin Poblet, Jos: Introduccin a la Bioingeniera. Captulo 13. Editorial Marcombo. 1988. Feigenbaum, Harvey: Ecocardiografa. Editorial Panamericana. 1985