Performantele Ecografiei In Diagnosticul Litiazei Urinare

LUCRARE DE LICENȚĂ

Performanțele ecografiei în diagnosticul litiazei urinare (ureterale, renale și vezicale)

Capitolul I. Ultrasunetele

Noțiuni generale

Ultrasunetele sunt vibrații mecanice ce se propaga în mediul solid, lichid și gazos prin transmiterea de oscilații ale particulelor componente. Fiind unde energetice realizate prin transferul energiei oscilante de la un mediu la altul și având densități diferite, nu se pot propaga în vid.

Ultrasunetele au fost folosite pentru prima dată în domeniul medical în anul 1940 ca mijloc de fizioterapie. Zece ani mai târziu în 1950, ultrasunetele fiind folosite pentru prima dată în scopul diagnosticării. S-a observat că proiectând un fascicul de ultrasunet într-un țesut acesta transmite un ecou dacă țesutul este dens, în schimb dacă este lichid ultrasunetul nu se întorce, concluzionând că țesutul parenchimatos și cel lichidian se comportă diferit în fața fasciculului de ultrasunet. În 1960 apare metoda Doppler, iar în 1970 s-a ajuns la scara gri în examinarea ecografică. Un an mai târziu s-a obținut posibilitatea de examinare în timp real.

1.1.1Proprietățile ultrasunetelor

Sunetele în general sunt realizate printr-o serie de compresiuni și decompresiuni mecanice, “vibrații” ale moleculelor componente ale materiei. Cu cât densitatea moleculara este mai mare, cu atât tranzmisia este mai rapidă și viteza sunetului este mai mare. În concluzie ultrasunetele sunt fenomene mecanice având ca suport oscilații-vibrații moleculare. Acestea se transmit prin mediul solid, lichid, gazos dar nu și prin vid datorita absentei moleculelor.

Caracteristicile undelor sonore

Amplitudinea (A) constă în deplasarea maximă a particulelor într-un sens sau altu fată de poziția de echilibru.

Perioada (T) constă în timpul necesar moleculei pentru realizarea unui ciclu complect.

Lungimea de undă (λ) reprezinta distanța parcursă de o particulă pe durata unei perioade formată din doua bucle, una negativă cealaltă pozitivă.

Fregvența (F) constituie numărul de oscilatii complecte parcurse de o moleculă în unitatea de timp.

Viteza de deplasare (c) constituie distanța parcursă de fasciculul sonor în unitatea de timp.

Energia acustică reprezintă cantitatea de energie degajată de particulele puse în mișcare de unda sonoră.

Puterea acustică reprezintă cantitatea de energie care trece în unitatea de timp printr-o suprafață dată a mediului de propagare.

Intensitatea acustică presupune fluxul de energie pe unitatea de suprafață.

1.1.2 Proprietăți acustice ale țesuturilor

Structurile biologice au anumite proprietăți care influențează interacțiunea lor cu undele ultrasonore și de care trebuie să se țină seama în formarea imaginilor pe ecran. Aceste proprietăți sunt:

-viteza de propragare a ultrasunetelor etse o constantă caracteristică pentru fiecare țesut în parte, aceasta se determină prin formula: c , unde = densitatea iar E= modulul de elasticitate sau rigiditate a mediului;

-elasticitatea presupune proprietatea unui corp de a reveni la forma inițială după ce a fost supus unei acțiuni mecanice;

-rigiditatea reprezintă rezistența unui material la compresiune;

-densitatea definește concentrația materiei și exprimă masa/unitate de volum;

-independența acustică este o marime care definește măsura în care un mediu permite propagarea ultrasunetelor.

1.1.3 Comportarea ultrasunetelor în corpul omenesc

În corpul omenesc undele ultrasunetelor se propagă linear, acestea se comportă similar cu un fascicul luminos. Ultrasunetele suferă următoarele modificări:

-transmisia și reflexia în momentul în care un fascicul ultrasonor întâlnește o interfață, o parte din fasciculul incident se reflectă, iar restul se propagă mai departe până la o nouă interfață până când fasciculul devine foarte slab sau chiar dispare. Fașciculul reflectat se întoarce în mediul de proveniență sub formă de unde și generează ecoul care stă la baza diagnosticulului ecografic.

-refracția definește schimbarea direcției de propagare a fasciculului de ultrasunet incident în momentul în care acesta trece dintr-un mediu în altul;

-difracția reprezintă deflectarea undelor ultrasonore în jurul unei interfețe care are o suprafață mai mică decât lungimea de undă;

-difuziunea se realizează în momentul în care unda ultrasonoră intră în contact cu un element mic și foarte elastic acesta se încarcă cu energie și reemite aceste energii devenind el însuși sursă de undă sonoră ce emite în toate direcțiile;

-dispersia apare în momentul în care ultrasunetul interacționează cu reflectori nespeculari caracterizați prin suprafață neregulată si/sau de mici dimensiuni aceștia provoacă împraștierea ultrasunetului sub forma unor ecouri dezordonate;

-absorbția reprezintă pierderea treptată a energiei fasciculului incident pe măsură ce parcurge o anumită distanță în materie datorită fenomenului de frecare acesta se transformă din energie acustică în energie termica;

-atenuarea reprezintă suma pierderilor de energie acustică rezultând din absorție, difuzie, dispersie și reflexie.Refracția și difracția nu produc atenuare decât în procent de 20% deoarece gradul de deviere a undei sonore de la direcția inițială nu realizează o diminuare a fasciculului.

1.2 Aparatură

Aparatura utilizată pentru stabilirea diagnosticului cu ajutorul ultrasunetelor se numește ecograf. Componentele de bază ale aparatului sunt:

-transductorul (sondă) acesta este utilizat pentru transmiterea și recepționarea ultrasunetelor;

-unitatea centrală de procesare include computer și componente electrice;

-tastatura este folosită la introducerea datelor și realizează măsurătorile afișate pe monitor;

-monitorul afișează imaginile de la ultrasunete care au fost procesate de către unitatea centrală;

-dispozitivul de stocare memorează imaginile obținute;

-imprimanta printează datele afișate.

1.2.1Transductorul

Transductorul este componenta principală a aparatului, acesta produce ultrasunete și recepționează ecouri, altfel spus este “gura” și “urechea” aparatului de ultrasunete. Transductorul generează și recepționează ultrasunete folosind un principiu numit efectul piezoelectric, acesta a fost descoperit de Pierre și Jacques Curie în anul 1880. În sondă există unul sau mai multe cristale de quartz numite și cristale piezoelectrice. Când un curent electric este aplicat asupra acestor cristale, acestea își schimbă cu rapiditate forma. Aceste schimbări rapide de formă sau vibrații ale cristalelor produc undele sonore care se transmit în exterior. În schimb când sunetul sau presiunea undelor lovesc cristalele acestea emit curenți electrici. Așadar aceleași cristale pot fi folosite pentru a trimite și recepționa unde sonore. Sonda de asemenea are o substanță de absorție a sunetului pentru a elimina reflexiile emise de ea insăși și o lentilă acustică care ajută să focuseze undele emise (figura 1).

Figura 1: Reprezentarea schematică a unui transductor

Sonda poate avea mai multe forme sau mărimi, acestea determină câmpul de vizualizare, iar frecvența de emitere a undelor de sunet determină cât de adânc undele de sunet pătrund si rezoluția imaginii.

Tipurile de transductoare se clasifică în funcție de modul de emergență al ultrasunetelor și de modalitatea utilizată pentru secvențializarea fasciculilor de ultrasunete în (figura 2):

Figura 2: Reprezentarea schematică a diferitor tipuri de transductoarelor în funcție de aranjamentul interior al cristalelor

Transductoare liniare oferă informații pe regiuni dreptunghiulare întinse,la adâncimi diferite în funcție de valoarea nominală.

Transductorul linear mecanic având un cost moderat dar în acelaș timp și o uzură rapidă, este

alcătuit dint-o singură piesă piezoelectrică, inglobată intr-o carcasă cu lichid pe niște șine paralele cu suprafața de emisie a transductorului.

Transductorul linear electronic are un cost mai ridicat dar este practic fară uzură, fiind alcătuit dintr-un număr variat de elemente piezoelectrice aranjate linear activate electronic succesiv în grupe de cate 4 sau 8.

Transductoare sectoriale oferă imagini cu aspect de cerc, având o rezoluție foarte bună la toate profunzimile.

Transductorul sectorialmecanic are mai multe variante: pendular alcătuită dintr-o singură piesă piezoelectrică antrenată mecanic intr-o mișcare de pendulare în fața ferestei prin care emite ultrasunetele; rotativ cuprinde o singură piesă piezoelectrică, care efectuează o rotație de 360˚ utilizat în unele examinări endocavitare (figura 3).

Figura3: Transductor sectorial mecanic

Transductorul sectorial electronic realizează tot imagini de sector de cerc prin activarea electronică a unor elemente piezoelectrice fixe.

Transductorul convex este un transductor linear ca și construcție caracterizat prin convexitatea suprafeței de emisi, cu activarea electronică succesivă a componentelor și obținerea unei imagini trapezoide(figura 4).

Figura 4: Transductor convex

Transductorul inelar este caracterizat prin dispunerea pe inele concentrice a microelementelor ceramice, care au focalizarea variată și activare în bloc, obținându-se fașcicule ultrasonore foarte subțiri cu focalizare extinsă.

Monoelementele sunt alcătuite dintr-o singură piesă piezoelectrică, așadar ele nu pot fi antrenate în activarea electronică secvențială, ele sunt deplasate de catre mâna examinatorului nefiind antrenate în mișcarea mecanică automată.

Monoelemente pentru modul M sunt plasate pe regiunea precordială unde sunt pastrate nemișcate, au frecvență și focalizare fixă. Monoelementele pentru examinarea Doppler sunt alcătuite din două elemente piezoelectronice, din care unul emite continuu ultrasunete, iar celălalt recepționează continuu ecourile. Monoelementele pentru modul A sunt rareori folosite în oftalmologie și neurologie. Monoelementele pentru examinarea statică au focalizarea și fregventa fixă, fiind mișcate de examinator pe tegumentele pacientului generând imaginea ecografică statică.

Transductoare combinate sunt cele mai complexe combinând mai multe din posibilitățile transductoarelor prezentate pâna acum.

Transductoarele cu fregvențe multiple cuprind intr-un singur ansamblu elementele necesare examinării cu frecvențe cuprinse între 3,5 și 10 MHz. Transductoarele cu funcție multiplă permit efectuarea cu același transductor și concomitent a examinării în modurile A, B, M și Doppler (continuu, pulsat și color).

Modalități de utilizare a transductoarelor în funcție de scopul urmărit și de modul lor de aplicare se împart în:

Transductoare pentru aplicare extermă cu o frecvență redusă care sunt utilizate pentru examinarea regiunilor profunde ale corpului la adult iar cele cu frecventă mare sunt uitlizate pentru examinarea pediatrică sau a organelor superficiale.

Transductoarele endocavitare au frecvență nominală mare și sunt utilizate pentru examinarea în detaliu a unor organe din vecinătatea cavităților naturale. Transductoarele pentru aplicație endorectală permit explorarea în detaliu a prostatei, veziculelor seminale, vezicii urinare și rectului, aplicarea endovezicală o transductoarelor este utilă în tatologia prostatică și a vezicii urinare iar transductoarele aplicate endovaginal sunt utilizate în obstetrică și ginecologie. Transductoarele introduse în tubul digestiv sunt utile pentru examinarea cordului, esofagului, stomacului, colonului cât și a organelor învecinate.

Transductoarele pentru uz intraoperator sunt complect sterilizabile, au frecvență mare și sunt aplicate direct pe diverse organe în cursul intervențiilor chirurgicale, în această categorie intră și transductoarele concepute pentru a fi utilizate în timpul operațiilor laparoscopice.

1.2.2 Unitatea centrală

Unitatea centrală este formată dim mai multe componente importante, cum sunt următoarele:

Receptorul este componentul aparatului de ecografie în care sunt prelucrate impulsurile electronice generate de către ecouri la nivelul transductorului. Voltajul foarte mic al impulsurilor recepționate este amplificat, amplificare fiind reglabilă, adresându-se atât tuturor ecourilor – amplificarea glogală, cât și anumitor domenii ale valorilor, prin intermediul curbri de compensare a atenuării în funcție de timp (TGC).

Tot la nivelul receptorului este modelat raportul dintre cel mai puternic și cel mai slab ecou prin stabilirea unui domeniu dinamic al valorilor ecourilor. Domeniul de diferență între ecouri este de 100 dB, prin TGC pot fi compensați 60 dB care sunt datorați atenuării deoarece capacitatea maximă de afișsre a monitorului poate cuprinde doar tonuri de gri care să corespundă la 25 dB din cei 40 dB rămași necompensați, este necesară comprimarea ecourilor prin amplificarea electivă a ecourilor slabe și amplificarea foarte redusă a ecourilor puternice, amplificarea electivă realizându-se după o curbă logaritmică.

Filtrarea primară a semnalului electronic constituie o altă funcție a receptorului, pentru a elimina semnalele foarte slabe care corespund zgomotului de fond sau reflexiilor multiple.

Memoria electronică este o componentă esențială a oricărui aparat ecografie. Semnalul electronic provenit de la receptor este transformat în informație binară de către un convertor analog -digital, informația este stocată și prelucrată în straturile memoriei. Convertorul digital – analog transformă informația prelucrată în semnal electronic, acest semnal electronic este demodulat – respectiv, este supus la procesele de rectificare și filtrare pentru a deveni semnal video, în final semnalul video este transmis spre monitor.

Conectorul sondei este reprezentat printr-un sistem de legătură complex dintre sondă și ecograf responsabil pentru transmisia semnalului electronic înspre sondă/receptor și pentru recunoaștere automată a tipului de sondă.

Tastatura reprezintă interfața om – mașină, având configurația unei mașini de scris cu taste cu funcții multiple, rolul acesteia este de a putea scrie în memoria procesorului date referitoare la pacient (figura 5).

Figura 5: Tastatura unui echipament ecografic convențional, cu aplicații clinice numeroase

Alături de tastatură se mai găsesc butoane care au funcția de oprire/pornire a ultrasunetelor, reglare a intensității fasciculului de ultrasunete, a sensibilități echipamentului la ecouri, de selectare a modului de lucru, de reglare a câștigului de ecouri de la nivelele predefinite (TGC = time gain compensation), de măsurare pe regiunea de interes.

1.2.3 Monitorul

Monitorul este alcătuit dintr-un tub catodic, al cărui fascicul de electroni este activat sub formă de linii orizontale. Fiecare linie corespunde unui rând din memoria digitală, informația ecografică este obținută și stocată în coloane, dar este afișată în rânduri, o imagine afișată pe monitor este alcătuită din 525 de linii. Pentru a reduce efectul de oscilație a imaginii, fiecare imagine este divizată în două câmpuri; câmpul liniilor cu număr par și cel al liniilor cu număr impar, care sunt afișate alternativ. În cursul examinări în timp real, pe ecran sunt afișate 30 de imagini pe secundă.