transductores

CAPITULO 4TRANSDUCTORES Y

SONDAS

CAPITULO 4TRANSDUCTORES Y

SONDASDber, F.- Escobar, P.- Escudero, O.Dber, F.- Escobar, P.- Escudero, O.

CAPITULO 4: TRANSDUCTORES Y SONDASCAPITULO 4: TRANSDUCTORES Y SONDAS

Introduccin

Tcnica revolucionaria.El corazn de la ecografa diagnstica es el transductor.(cristales de cuarzo o

cristales de cermicas sintticas, como el zirconato de plomo, sulfato de litio o titanio de bario, que adquieren la propiedad piezoelctrica al ser polarizados a Temperatura de Curie).

Usando materiales piezoelctricos tradicionales, el transductor es frecuencia-dependiente, y es necesario usar un transductor para cada frecuencia.

El uso de materiales modificados en los transductores modernos es menos dependiente de la frecuencia, lo cual permite fabricar transductores multifrecuencia.

Temperatura de Curie o Punto de Curie: es la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagntico pierde su magnetismo, comportndose como un material puramente paramagntico.


Componentes

La carcasa, proporciona soporte estructural a los componentes internos para que el dispositivo pueda ser manipulado sin grandes cuidados

La ventana acstica protectora, es la cara del conjunto transductor y est diseada para adaptarse al cristal activo y transmitir el haz ultrasnico al paciente.

Una capa adaptadora, opcional, con impedancia acstica intermedia entre la ventana y el tejido para mejorar la transmisin en el tejido al reducir la reflectividad superficial.

El cristal piezoelctrico, encargado de la transduccin onda elctrica/ultrasnica y viceversa.

Un material amortiguador, ubicado en el dorso del cristal y diseado para amortiguar el movimiento del cristal, de forma tal que cuando se elimina el estmulo elctrico, el cristal deja de moverse inmediatamente. Esta componente suele faltar en los equipos de US continuo.

Un aislante acstico, que rodea al cristal y al material amortiguador, que sirve para confinar mejor el haz ultrasnico.

Un conector, localizado en la parte posterior del transductor y que trae los conductores que transmiten las seales elctricas a cada cara del cristal, recubiertas por un material conductor de la electricidad.


POLARIZACIN DE UN CRISTAL DURANTE UN PULSO

POLARIZACIN DE UN CRISTAL DURANTE UN PULSO COMPONENTES DE UN TRANSDUCTORCOMPONENTES DE UN TRANSDUCTOR


El haz ultrasnicoTipos de haces

Emisin continua (mtodo Doppler): requiere un cristal emisor y un receptor. Emisin discontinua (modos A, B, M y Doppler pulsado): el mismo cristal emite y

recibe. (El pulso es muy breve y origina una seal de compresin y rarefaccin, despus queda en silencio dispuesto a recibir los ecos).


Enfoque del haz

La mayora de los transductores diseado para uso mdico estn enfocados y cada fabricante identifica la distancia focal de los transductores.

Bsicamente hay dos maneras de focalizar el haz:

Con la forma del cristal, se controla el foco del haz ultrasnico. Con lentes acsticas ubicadas en cualquier punto del haz, aunque normalmente vienen incorporadas

al transductor. (Pueden fabricarse de poliestireno, nylon, otros materiales plsticos y aluminio).


Segn el principio de Huygen, la superficie del transductor se considera como un conjunto deelementos separados cada uno irradiando ondas hemisfricas hacia adelante. Los elementos se mueven sincrnicamente y con amplitudes iguales. Consecuentemente, el campo de ultrasonidos producido por un conjunto lineal de elementos, se concentra en un haz que se hace ms uniforme segn se aumente la distancia al transductor. El haz es la regin en la que las ondas estn en fase.

Si el haz emitido no dispone de focalizacin, ste diverge gradualmente segn atraviesa los tejidos, lo cual conduce a una pobre resolucin espacial. El perfil del haz puede ser modificado mediante tcnicas de enfoque. El enfoque reduce las dimensiones laterales del haz dentro de la zona de foco y por lo tanto mejora la resolucin en profundidad y elevacin. El fenmeno de enfoque ocurre en el punto del campo donde llegan simultneamente todas las contribuciones de la superficie del transductor, esto es, en fase.


La colocacin de lentes frente al transductor permite la focalizacin del haz. Las lentes circulares son usadas para elementos simples, consiguiendo un estrechamiento simtrico del haz.

Para transductores linear array (serie de transductores en dispuestos en lnea) la focalizacin se logra con el uso de lentes acsticas que producen un estrechamiento del haz en un plano perpendicular al haz del ultrasonido.

Cuando el transductor est compuesto de varios elementos el haz puede ser enfocado electrnicamente. La direccin y enfoque del haz se pueden variar mediante el retraso en el disparo de parte de los elementos. Igualmente en el procesamiento de las seales recibidas podemos introducir tiempos de retraso en cada seal asociada con cada elemento, consiguiendo as que las diferentes partes del frente de ondas se detecten al mismo tiempo. Este enfoque continuo se conoce como enfoque dinmico.


Ancho de banda

El US de onda continua tiene esencialmente una sola frecuencia, la frecuencia de resonancia. Sin embargo, el US discontinuo o pulsado puede tener muchas frecuencias en cada pulso debido a la dificultad para iniciar y detener el pulso. Por lo general, cuantos menos ciclos tenga cada pulso ms frecuencias contendr.

El Ancho de Banda expresa el rango de frecuencias de un pulso de US. El Factor de Calidad (FC) describe la pureza u homogeneidad de los pulsos, su valor oscila entre 1 e infinito y se calcula:

FC = Frecuencia de Resonancia (MHz) / Ancho de Banda (MHz)

Cada cristal tiene una frecuencia de resonancia especfica que depende de: su tamao. el material que lo constituye. la forma en la que fue polarizado.

Esto implica que para modificar la frecuencia del haz US es necesario reemplazar el transductor por uno de diferente frecuencia, lo cual puede hacerse en forma manual o electrnica.

En exploracin clnica se necesitan transductores que cubran un amplio rango de frecuencias para diversas aplicaciones. Por ejemplo, desde 2,5 MHz para algunas aplicaciones cardacas, transcraneales y de abdomen profundo, a 10 MHz para estructuras superficiales y 20 MHz para imagen intravascular y piel.

La consecuencia de que exista mayor resolucin con frecuencias mayores, pero menor penetracin, ha llevado a desarrollar sondas para uso endovaginal, endorrectal, endoscpico y endovascular, de manera tal que el transductor est ms cerca de la estructura anatmica que se desea explorar.


Campo prximo y campo lejano

El tamao del haz est en relacin con el dimetro del cristal y la longitud de onda. Si la relacin entre ambos es pequea, el haz se dispersa; pero si es grande el haz resulta demasiado colimado. Un cristal cuyo dimetro es N veces la longitud de onda, emitir un haz caracterizado por un frente de onda plano fuerte. Una fuente de sonido puntual (relacin 1:1) emitir ondas esfricas que se propagan en todas direcciones.


La forma de este haz tambin se modifica con la distancia. La regin ms prxima al transductor se conoce como Campo Prximo o Cercano o Zona Fresnel; y se caracteriza por un haz altamente colimado con gran variacin de intensidad entre un frente de onda y el siguiente.

La regin del haz ms alejada del transductor se conoce como Campo Lejano o Distal o Zona Fraunhofery se caracteriza por la divergencia del haz y una intensidad ms uniforme entre frentes de ondas.

La mejor resolucin de imagen se obtiene en la zona de transicin entre el campo prximo y el campo lejano. El dimetro del haz, la longitud del campo prximo y la divergencia del campo lejano estn determinados por el dimetro del cristal y la frecuencia del ultrasonido, segn las ecuaciones que se observan en la figura debajo:

Observando las ecuaciones, pueden enunciarse las siguientes relaciones:- Al aumentar el dimetro del transductor, el campo prximo se alarga y disminuye la divergencia del

campo lejano.- Al aumentar la frecuencia del ultrasonido, el campo prximo se alarga y disminuye la divergencia del

campo lejano.


Resolucin espacialLa calidad de la imagen estar en relacin directa con la resolucin espacial del sistema.

Esta resolucin espacial tiene dos componentes:- La Resolucin Axial o longitudinal: es la separacin mnima entre dos objetos reflectores

para poder discriminarlos como distintos, en un plano paralelo al eje de propagacin del haz.

Depende en forma inversamente proporcional de la longitud del pulso (el producto de la longitud de onda por el nmero de ciclos por pulso determina la longitud del pulso). A mayor cantidad de ondas por pulso, peor resolucin. A mayor frecuencia, mejor resolucin, campo prximo ms largo y campo lejano ms colimado, lo cual contribuye a mejorar la resolucin axial y lateral.

RESOLUCIN AXIAL LOS REFLECTORES A Y B ESTN SEPARADOS POR UNA DISTANCIA MAYOR QUE LALONGITUD DEL PULSO, Y SERN RECONOCIDOS EN LA IMAGEN COMO OBJETOS DIFERENTES .LOS REFLECTORES C Y D ESTN SEPARADOS POR UNA DISTANCIA MENOR QUE LA LONGITU DEL PULSO, Y EN LA IMAGEN APARECERN COMO UN OBJETO NICO.


EJEMPLO DE RESOLUCIN AXIAL


Resolucin espacial

La Resolucin Lateral o azimutal: es la capacidad para discriminar dos objetos situados en un plano perpendicular al eje de propagacin del haz. Cuanto menor sea el tamao del cristal y ms alta sea la frecuencia, mejor ser la resolucin lateral. El ancho del haz determina la mxima resolucin para objetos situados en un plano perpendicular al eje axial.

RESOLUCIN LATERAL. (A): EL ANCHO DEL HAZ EN LA ZONA FOCAL, ES INFERIOR A LA DISTANCIA ENTRE LOS PUNTOS DE ESTUDIO, PERMITIENDO QUE SE LOSIDENTIFIQUE COMO ESTRUCTURAS DISTINTAS. (B): LA DISTANCIA ENTRE LOS PUNTOS A ESTUDIO ES INFERIOR AL ANCHO DEL HAZ. LA IMAGEN LO MOSTRAR COMO UN SLO OBJETO.


EJEMPLO DE RESOLUCIN LATERAL


La resolucin lateral mejora con la focalizacin ya que el enfoque reduce las dimensiones laterales del haz. La focalizacin se emplea para alcanzar la mxima resolucin lateral a una profundidad deseada. La resolucin lateral es mucho ms importante en la calidad de la imagen que la resolucin axial.

Existe un compromiso entre la resolucin espacial y la profundidad a la que los ecos pueden ser obtenidos. En la prctica, se considera que una sonda de 3,5 MHz obtendr un campo til de hasta 20-25 cm, una sonda de 5 MHz 10-15 cm y una de 10 MHz, un campo til de 3-4 cm. La mejor resolucin espacial se obtendr cuando la longitud del pulso sea corta (mejor resolucin axial), y cuando el ancho del haz en el plano de exploracin y el grueso del corte sean estrechos, para alcanzar la mejor resolucin lateral.


Sondas de exploracin

Las sondas ecogrficas son dispositivos especiales que constan de uno o varios transductores dispuestos de diversa manera, segn la tecnologa del sistema. En principio, existen dos tipos de sondas ecogrficas para generar y detectar ultrasonido en tiempo real:

Mecnicas

Se denominan as porque una motorizacin permite que uno o varios cristales barran mecnicamente el campo de visin.

La generacin del barrido del haz requiere el movimiento rotatorio u oscilatorio del cristal o cristales piezoelctricos montados en la sonda. El sistema mecnico de motorizacin permite mover el transductor en forma lineal para dar un CV rectangular o en forma angular para lograr un CV sectorial. La motorizacin puede aplicarse al mismo cristal o bien a un espejo mvil sobre el cual se enfoca el haz.

Son transductores que tienen una tasa de cuadros limitada, el campo de visin restringido y es frecuente la distorsin en la imagen. La focalizacin del haz en este tipo de sondas es fija, y la calidad de la imagen es generalmente inferior a la de otras sondas multi-transductores.

Son ms econmicas y fciles de construir, pero han sido sustituidos progresivamente por los electrnicos, ms verstiles, ms capaces y con menos fallas mecnicas. Dentro de las sondas mecnicas encontramos las siguientes variantes:

Monocristal Multicristal


Monocristal

El haz procedente de un cristal nico barre mecnicamente el campo de visin (CV) deseado con un movimiento oscilante porque el conjunto transductor est motorizado. Cada barrido origina un cuadro (frame) de imagen y se pueden obtener hasta 15 cuadros por segundo.

Un ejemplo de sonda monocristal son las sondas endoluminales. Son aptas para ser introducidas por orificios corporales diversos (endorectal, transesofgica, transvaginal e intravascular), de manera tal que el rgano de inters quede muy prximo a su superficie, lo que permite el empleo de altas frecuencias para obtener una buena resolucin a corta profundidad. Sus reducidas dimensiones dificultan la incorporacin de mltiples elementos, por lo que suelen estar constituidas por un elemento con movimiento mecnico oscilatorio o rotatorio.

Multicristal

Pueden ser construidas sondas mecnicas con elementos mltiples dispuestos en forma de varios anillos concntricos (annular array). En este tipo de sonda se puede realizar un enfoque electrnico, siendo la calidad de su imagen superior al resto de las sondas mecnicas.


Mecnicas


Electrnicas

Constan de una serie de transductores cuya disposicin espacial puede ser LINEAL (linear array) o CURVILNEA (curve array), y producen el barrido sin necesidad de movimiento. En las linear array, el frente de ondas se genera paralelo al plano de la superficie de la sonda, generando una imagen rectangular. En las sondas de superficie curvilnea, el frente de ondas genera un campo progresivamente mayor, logrando obtener un gran campo profundo usando una sonda relativamente pequea.

El frente de ondas puede generarse aplicando el voltaje a:

todos los elementos a la vez secuencialmente a grupos de elementos (Matriz Lineal o linear switched array) a todos los elementos, pero con pequeas diferencias de tiempo (Matriz en fase o phased

array).

Las sondas linear array pueden operar simultneamente como switched o como phased array. Veamos cmo operan cada una de estas variantes.


De matriz lineal

Constan de un gran nmero de pequeos elementos transductores individuales que son pulsados electrnicamente y que se disponen en una lnea. Si existen, por ejemplo 32 transductores de 2 mm, la longitud total de la matriz lineal activa ser de 6,4 cm, lo cual define un campo de visin de 6,4 cm.

Cuando los transductores individuales se activan secuencialmente, deben permanecer activos lo suficiente como para recibir el eco reflejado. Este sistema se identifica como matriz lineal secuencial. Existe tambin una disposicin llamada matriz lineal segmentaria, donde grupos de 4 5 transductores contiguos son activados simultneamente, de forma que cada pulso conduce a 4 5 lneas de barrido.

En un sistema segmentario tpico, los transductores 1 a 5 sern activados durante un pulso y producirn 5 lneas de barrido. En el segundo pulso, se activarn los transductores 2 a 6, dando otras 5 lneas de barrido. Luego, el tercer pulso activar los transductores 3 a 7 y ashasta completar la matriz.


Para obtener monitorizacin en tiempo real, los transductores son activados en forma secuencial desde el 1 al 32, proporcionando 32 lneas de barrido de la imagen. Estas 32 lneas de barrido forman un cuadro de imagen. La tasa de cuadros es seleccionable, pero se suele ajustar a 30 cps.

La ventaja de la matriz lineal segmentaria es que proporciona una mayor densidad de lneas que la matriz lineal secuencial, otorgando una mayor calidad de imagen.


De matriz de fase

En la actualidad los ecgrafos con matriz en fase son los ms empleados. Son similares a los de matriz lineal segmentaria, pero el control electrnico de la emisin y recepcin da lugar a un barrido sectorial. El barrido del sector se obtiene por excitacin segmentaria de los transductores y por la incorporacin de un retraso en la excitacin de cada elemento transductor que se denomina fase.

El examen con matriz en fase produce un barrido sectorial que tiene un ngulo mximo del sector de 90. La cantidad de lneas de barrido, la tasa de cuadros y la profundidad de barrido son interdependientes y seleccionables por el operador.


La matriz en fase anular es una extensin de la matriz en fase lineal en la que los transductores estn dispuestos en forma de anillos concntricos. El diseo electrnico es ms complejo pero permite obtener imgenes de mltiples planos. Una extensin ms moderna es la tcnica de barrido dplex, que incorpora matriz en fase y deteccin Doppler del movimiento.


Clasificacin de sondas segn la tecnologa y mtodo empleado para obtener la imagen mdica.

TRANSDUCTORES DE PROPSITO GENERAL

Curved arrayFrecuencia: de 2.5 MHz a 12 MHz64 a 192 elementos.

Linear arrayFrecuencia: de 3.5 MHz a 30 MHz64 a 384 elementos.Tecnologa XY disponible.

Phased array Frecuencia: 2.5 MHz a 7 MHz64 a 128 elementosTecnologa XY disponible


SONDAS ENDOCAVITARIAS

Transductor Endocrectal Biplanar B.TRT 2*128 y 2*192 Diseo disponible con MUX dentro del mango

Transductor Triplanarcon MUX en el mango

Transductor E710 End-fire Endocavity


SONDAS QUIRRGICAS

Sonda laparoscpica de 2 y 4 vas articuladascon transductores tipo curved o linear array

Transductor intraoperativo

Sonda TEE (Transesofgica)7.5 MHz96 elementoslinear array para imgenes del tracto gastrointestinal superior

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