Sistemas de Escaneo, Ultrasónico, Uso General (Parte 1)

Sistemas de Escaneo, Ultrasónico, Uso General (Parte 1)

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Esta comparación de producto cubre los sistemas de escaneo ultrasónico para uso general destinados principalmente a la obtención de imágenes abdominales, gineco-obstétricas, de partes pequeñas y vasculares. Se excluyen de este informe los sistemas de escaneo ultrasónico portátiles, los destinados a cardiología y los dedicados a la obtención de imágenes intravasculares.

Estos dispositivos también se denominan: escáneres de ultrasonido abdominal, unidades ultrasónicas arteriográficas, escáneres ultrasónicos dedicados de matriz lineal, escáneres ultrasónicos ginecológicos, escáneres ultrasónicos obstétricos, escáneres ultrasónicos renales, escáneres ultrasónicos para partes pequeñas, escáneres ultrasónicos de tiroides, escáneres ultrasónicos urológicos y escáneres vasculares.

Propósito

Los sistemas de escaneo ultrasónico para uso general proporcionan imágenes bidimensionales (2-D) de la mayoría de los tejidos blandos sin someter a los pacientes a radiación ionizante. Normalmente se utilizan en el Departamento de Radiología y en otros departamentos del hospital, así como en centros de imagenología independientes y en consultorios médicos privados, principalmente para aplicaciones vasculares y gineco-obstétricas. Algunos sistemas incluyen transductores adicionales para facilitar procedimientos diagnósticos más especializados, tales como el escaneo cardíaco, vascular, endovaginal, endorrectal, o de partes pequeñas (por ejemplo, tiroides, mama, escroto, próstata).

Principios de operación

El ultrasonido se refiere a las ondas sonoras emitidas a frecuencias por encima del rango de la audición humana. Para la obtención de imágenes diagnósticas se utilizan típicamente frecuencias que oscilan entre 2 y 15 megahercios (MHz). Las ondas de ultrasonido son vibraciones mecánicas (acústicas) que requieren un medio de transmisión y, como exhiben las propiedades normales de reflexión, refracción y difracción de las ondas, pueden ser dirigidas, enfocadas y reflejadas en forma predecible.

Un sistema típico de escaneo ultrasónico consta de un formador de haces, una unidad de procesamiento central, una interfaz de usuario (p. ej., teclado, panel de control, trackball), varias sondas (transductores o cabezales de escaneo), una o más pantallas de video, algún tipo de dispositivo de grabación y un sistema de alimentación eléctrica.

Para la obtención de imágenes ultrasónicas, una sonda se coloca sobre la piel (después de aplicar un gel de acoplamiento acústico) o se introduce en una cavidad del cuerpo. Las sondas ultrasónicas contienen uno o más elementos elaborados en materiales piezoeléctricos (materiales que convierten la energía eléctrica en energía acústica y viceversa). Cuando la energía ultrasónica emitida desde la sonda es reflejada por el tejido, el transductor recibe algunos de estos reflejos (ecos) y los convierte de nuevo en señales eléctricas. Estas señales son procesadas y transformadas en una imagen (sonograma). Las frecuencias de sonido más bajas proporcionan una menor resolución pero ofrecen una mayor penetración en los tejidos, mientras que las frecuencias más altas mejoran la resolución cuando no es necesaria la penetración profunda (por ejemplo, en estudios pediátricos o de partes pequeñas).

Los transductores multifrecuencia (de banda ancha) tienen amplios rangos de frecuencia y pueden mejorar la calidad general de las imágenes producidas. Muchos proveedores ofrecen sondas de multifrecuencia que permiten la conmutación entre dos o más frecuencias —por ejemplo, entre 2,5, 3,5 y 5 MHz.

Están disponibles varios modos para la visualización de los ecos de retorno. El modo B (modo modulado por brillo) es el modo de imagen básico de los sistemas de escaneo. El modo B produce una imagen 2-D en tiempo real que representa un corte transversal del área en estudio. La imagen se crea a medida que el transductor barre el haz de ultrasonido pulsado a través del plano de la imagen, ya sea mecánica o electrónicamente, y se actualiza varias veces para obtener una imagen en tiempo real; la velocidad de barrido (o fotograma) determina la frecuencia con que se produce la actualización de la imagen. El modo M (modo de movimiento) utiliza un haz pulsado en una posición fija para producir una representación móvil de una línea única de escaneo durante un intervalo de tiempo. El modo M, exclusivo para aplicaciones cardíacas, produce una representación gráfica de una estructura en movimiento (por ejemplo, la válvula cardíaca durante varios latidos). La visualización simultánea de los modos M y B es particularmente útil cuando se examinan estructuras dinámicas tales como el corazón.

Los transductores generan comúnmente dos tipos de patrones con formas diferentes: imágenes rectangulares (lineales) e imágenes en forma de cuña (sectoriales). Las imágenes lineales son producidas por transductores planos, de matriz lineal, que contienen una serie de elementos piezoeléctricos dispuestos en una sola línea con longitudes de matriz disponibles entre 4 y 15 cm. Los elementos son pulsados secuencialmente en grupos, y avanzan de un extremo a otro de la matriz mientras el sistema alterna entre los modos de transmisión y recepción. Esto produce un número de haces acústicos paralelos a lo largo de la matriz durante un solo barrido para obtener imágenes de una región rectangular directamente en frente de los elementos. (La Figura 1 ilustra los tipos básicos de transductores y los patrones de ondas ultrasónicas que estos generan). Como sucede con otros escáneres en tiempo real, cada barrido lineal actualiza la pantalla con una nueva imagen de corte transversal. Para mejorar la resolución de la imagen se usan varios métodos, tales como las técnicas especiales de retardo de las fases de transmisión y recepción que mejoran significativamente el enfoque del haz y la calidad de la imagen. Como toda la longitud de la matriz se coloca sobre la piel del paciente, un campo de visión (FOV, por su sigla en inglés, field-of-view) grande muestra las estructuras cercanas al transductor. Por lo tanto, un sistema de matriz lineal plana (a menudo llamada simplemente “matriz lineal”) es ideal para aquellos exámenes obstétricos en los que la placenta o el cráneo del feto podrían situarse cerca al transductor. Debido a sus circuitos electrónicos menos sofisticados, los escáneres que solo utilizan transductores de matriz lineal son por lo general menos costosos que muchos otros dispositivos de escaneo ultrasónico en tiempo real, pero existen desventajas. Por ejemplo, a veces es difícil mantener un contacto completo de la piel con la superficie grande de la matriz.

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En la actualidad se utilizan dos configuraciones básicas para el escaneo sectorial: mecánica y electrónica (no mecánica). Los transductores sectoriales mecánicos contienen uno o más elementos piezoeléctricos en un trayecto de fluido sellado. Un sistema impulsado por motor moviliza el elemento rápidamente a través de un arco que establece el sector, mientras el transductor alterna entre el modo de transmisión y el de recepción. Aunque los transductores mecánicos comúnmente usan un solo elemento, algunos utilizan una matriz anular: múltiples elementos concéntricos en forma de anillo que producen un haz cilíndrico, más uniforme y mejor enfocado tanto en los planos horizontales como de elevación (verticales). Este enfoque en 2-D reduce el grosor del corte para mejorar la calidad de la imagen. La activación de los elementos con diferentes retardos permite que el haz producido por estas matrices se enfoque a distintas profundidades según la región de interés.

El escaneo sectorial electrónico utiliza transductores de matriz, que constan de una serie de elementos piezoeléctricos lineales. Una sonda de matriz curvilínea (matriz convexa) opera en forma similar a la sonda lineal plana, pero su forma convexa permite un campo de visión (FOV) más amplio que el de un transductor de matriz lineal plana con la misma superficie de contacto y una mejor representación de la anatomía.

El escaneo dirigido electrónicamente utiliza transductores de matriz en fase (phased-array), que consisten en una serie de elementos piezoeléctricos individuales que operan como una unidad. Estos transductores son iguales a los de matriz lineal, excepto que tienen áreas más pequeñas de contacto con la piel y circuitos de temporización electrónica que les permiten disparar grupos de elementos en una variedad de secuencias. Esto permite que cada ráfaga de energía ultrasónica salga del transductor con un ángulo ligeramente diferente. La transmisión y la recepción de energía ultrasónica a través de diferentes ángulos dentro del plano de escaneo forman una imagen sectorial. Los transductores de matriz en fase por lo general son más pequeños y más fáciles de manejar que la mayoría de los transductores de matriz lineal. Sin embargo, requieren sistemas de temporización electrónica más sofisticados. Aunque proporcionan un FOV limitado para las estructuras superficiales, sus superficies de escaneo más pequeñas (a menudo hasta de 6mm) permiten obtener imágenes de estructuras en áreas estrechas o detrás de obstrucciones (por ejemplo, áreas entre las costillas o detrás de éstas). Algunos sistemas combinan técnicas lineales y phased-array para proporcionar un formato de imagen trapezoidal (llamado frecuentemente "vector"). Esto se logra mediante la adición de sectores en forma de tarta a ambos lados de una imagen lineal rectangular. La superficie de escaneo del transductor es ligeramente mayor que la de un transductor phased-array normal, y la imagen sectorial producida tiene un FOV más amplio en el campo cercano.

Los transductores electrónicos ofrecen un mayor número de capacidades de obtención de imágenes, tales como imágenes simultáneas 2-D y Doppler. Y como no tienen partes movibles, son también más confiables. Pero en la configuración típica de elementos lineales, con filas de elementos dispuestos horizontalmente, el enfoque electrónico solo es posible en el plano de escaneo 2-D (horizontal); por lo tanto, no hay un enfoque del plano de elevación del transductor para reducir el espesor del corte.

Las matrices multidimensionales tienen la fila normal de elementos dispuestos horizontalmente, pero también poseen algunas (de cinco a siete) filas verticales de elementos. Estas filas verticales permiten enfocar las matrices en el plano de elevación, creando así un área focal más estrecha. Sin embargo, el foco de elevación no siempre se puede ajustar, y los haces tampoco pueden ser dirigidos verticalmente. No obstante, estas matrices (a menudo denominadas matrices de 1,5 dimensiones) típicamente tienen un espesor de corte más fino que proporciona una resolución vertical algo mejor que la de las matrices lineales estándar.

Tanto en los sistemas mecánicos como en los electrónicos, cada barrido produce una nueva imagen transversal (fotograma) que es utilizada para actualizar la pantalla. Por lo general las altas velocidades de fotogramas son útiles para obtener imágenes de estructuras que se mueven rápidamente (p.ej., las válvulas del corazón), mientras que las velocidades más bajas proporcionan una mejor calidad de imagen al aumentar la densidad de las líneas acústicas que conforman la imagen. Dependiendo del sistema, las velocidades de fotogramas pueden ser fijadas, seleccionadas por el operador, o variadas automáticamente basándose en el FOV y en otras variables elegidas por él. Algunos sistemas de escaneo permiten al usuario cambiar el FOV variando el ángulo del sector.

Un sistema convertidor de barrido presenta la imagen en un monitor de video de alta resolución. Durante el barrido, el convertidor asigna discretos matices de gris (escala de grises) para los niveles de amplitud de los ecos de retorno; el número de matices depende de la cantidad de bits de información que pueden ser almacenados para cada punto de memoria de imagen. Algunos escáneres ofrecen características de pre y post-procesamiento seleccionables por el usuario, que le permiten optimizar la calidad de la imagen alterando la textura y el énfasis de la escala de grises dentro de la imagen. El convertidor de barrido también permite la congelación de la imagen, que captura un solo fotograma para su visualización, documentación y análisis.

Algunos sistemas de escaneo son capaces de realizar ultrasonido tridimensional (3-D) en tiempo real, lo que implica la adquisición de volumen por segundo y la visualización de mediciones de volumen, una mejor presentación de la imagen y estudios del volumen de interés. Las imágenes en 3-D pueden ser producidas mediante la adquisición en línea directa de un volumen de datos en lugar de un corte de tejido. Otro método es la reconstrucción de cortes transversales en 2D o tomogramas previamente adquiridos utilizando hardware y software fuera de línea. Se ha encontrado que las imágenes por ultrasonido en 3-D son de utilidad clínica en imagenología cardíaca, del flujo sanguíneo, oftálmica, cerebral, de la próstata, renal, y fetal, así como para la planificación quirúrgica. La así llamada "3-D en tiempo real" (4-D) normalmente solo está disponible en los escáneres de alta gama. En la actualidad, los escáneres 4-D no proporcionan verdaderas velocidades de fotogramas en tiempo real porque la adquisición de múltiples cortes en 2-D y la reconstrucción de los datos requieren más tiempo que la imagenología convencional en 2-D. En cambio, la imagen es actualizada aproximadamente 3–10 veces por segundo.

En algunos sistemas, el operador puede ampliar la imagen (zoom) para realizar un examen más detenido y también puede almacenar imágenes o transferirlas a través de redes para su almacenamiento en los sistemas de archivo y comunicación de imágenes (PACS, por su sigla en inglés, Picture Archiving and Communication Systems). (Para mayor información, consultar la Comparación de Producto titulada Sistemas de Archivo y Comunicación de Imágenes (PACS), Radiología).

Muchos proveedores de sistemas de escaneo por ultrasonido incorporan en sus sistemas el Estándar de Imágenes Digitales y Comunicaciones en Medicina (DICOM 3.0) de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos. El propósito de este estándar es permitir que las imágenes digitales producidas por  cualquier dispositivo medico sean almacenadas y transferidas a través del PACS o de otros medios, independientemente del proveedor del dispositivo.

Las estructuras escaneadas se pueden medir utilizando calibradores digitales —cursores superpuestos electrónicamente sobre la imagen adquirida que calculan el tamaño de la estructura escaneada. El sistema de calibración también se puede utilizar para delinear y medir el área, la circunferencia o el volumen de una estructura. En las aplicaciones obstétricas, los programas de edad gestacional utilizan mediciones de diferentes partes del cuerpo del feto (por ejemplo, el fémur y la circunferencia cefálica) para calcular una edad estimada del feto.

Un teclado de entrada de datos permite ingresar información tal como el nombre del paciente, el número de la historia clínica y el tipo de estudio, y mostrarla junto con la imagen escaneada. Otros controles ajustables por el usuario le permiten manipular la señal acústica transmitida o los ecos recibidos para optimizar la calidad de la imagen.

Imágenes Doppler
Muchos escáneres incluyen ahora la capacidad Doppler para determinar la dirección y la velocidad del flujo sanguíneo. La mayoría de los escáneres incluyen el Doppler espectral, ya sea de onda continua (CW, por su sigla en inglés, continuous-wave) o de onda pulsada (PW, del inglés, pulsed-wave). El Doppler CW, el Doppler espectral más simple, que se utiliza comúnmente para el análisis del flujo sanguíneo en el que la información de la profundidad del vaso no es importante, recibe información de todos los reflectores que se mueven en el trayecto del haz. El CW Doppler es capaz de proporcionar mediciones precisas de la velocidad de la sangre a través del área muestreada. El PW Doppler se utiliza cuando se requiere selectividad de profundidad, pero no puede ser utilizado para velocidades más altas debido al problema del aliasing (solapamiento) de frecuencias cuando la frecuencia de repetición de pulsos (FRP) es demasiado baja para el muestreo adecuado del cambio de frecuencia Doppler. Para resolver el problema del solapamiento se puede aumentar la FRP o se puede utilizar un transductor de frecuencia más baja. Algunos escáneres permiten el uso de un modo Doppler de alta frecuencia de repetición de pulsos (HPRF, por su sigla en inglés, high pulse-repetition frequency) —una función que corrige el solapamiento al aumentar la FRP para una profundidad de volumen de muestra. El PW Doppler le permite al operador seleccionar el área de interés para el análisis de flujo utilizando cursores superpuestos sobre la imagen 2-D. La información selectiva de la profundidad del PW se obtiene mediante pulsos acústicos emitidos desde el transductor, lo que permite el análisis de los datos del flujo sanguíneo desde una ubicación precisa representada en una imagen de referencia en modo B 2-D.

El Doppler espectral incluye un analizador de espectro para representar los cambios de frecuencia graficados en función del tiempo, con una intensidad de la escala de grises que varía con la fuerza o la amplitud de la señal recibida. El analizador de espectro también puede emplear la transformación rápida de Fourier (TRF), un método de muestreo que analiza las señales de desplazamiento Doppler y permite al usuario realizar cálculos complejos de las mismas. Los analizadores TRF típicamente producen representaciones pico y promedio. La representación pico proporciona una forma de onda del tiempo lineal que representa la velocidad máxima instantánea presente. La representación promedio proporciona una forma de onda del tiempo lineal que representa el promedio estadístico de todas las velocidades presentes en un momento determinado.

Algunas unidades ofrecen una visualización simultánea de imágenes en tiempo real, 2-D y Doppler. Otras unidades congelan la imagen en 2-D cuando el Doppler está activado; sin embargo, si el transductor o el paciente se mueven, puede ser difícil determinar la localización anatómica precisa desde la cual se están adquiriendo los datos del flujo sanguíneo. Por lo tanto, algunas unidades actualizan la imagen 2D a intervalos ajustables, aunque el Doppler se apaga durante la actualización 2-D. Los verdaderos escáneres simultáneos (dúplex) permiten que la imagen 2-D permanezca en tiempo real (aunque a una velocidad de fotogramas más baja) mientras el haz Doppler es utilizado para adquirir información sobre el flujo sanguíneo.

La imagenología Doppler Color (CDI, por su sigla en inglés, Doppler Color Imaging) muestra los cambios relativos de frecuencia Doppler en colores superpuestos sobre una imagen en modo B 2-D. La imagen en modo B en tiempo real se utiliza para mostrar las características anatómicas, mientras que la CDI proporciona una representación de los datos hemodinámicos. La CDI se utiliza más comúnmente para determinar la presencia, la dirección y la velocidad relativa del flujo sanguíneo en varios puntos a lo largo de múltiples trayectos del haz dentro de un área de interés. El uso de la CDI complementa y mejora el valor diagnóstico de las imágenes por ultrasonido convencional 2-D en tiempo real proporcionando información acerca del flujo sanguíneo normal y anormal.

Al igual que en la televisión a color, la CDI utiliza combinaciones de colores primarios. Típicamente, los tonos de rojo y azul se usan para indicar el flujo de sangre que se dirige hacia el transductor y el que se aleja del mismo, respectivamente. Los tonos más claros de rojo o azul indican velocidades más altas, como las ocasionadas por válvulas estenóticas o vasos estrechados. Además de la dirección del flujo sanguíneo, la velocidad media y el grado de varianza del flujo también se pueden representar mediante CDI. Los fabricantes proporcionan una amplia gama de mapas de colores seleccionables por el usuario. Un mapa de color que se utiliza comúnmente es el de arco iris que emplea tonos de rojo a amarillo y de azul a verde para demostrar el flujo de sangre que se acerca y se aleja del transductor, respectivamente.

Muchos sistemas de escaneo tienen capacidad de obtener imágenes Power Doppler (PDI), las cuales pueden ser utilizadas como un complemento del CFMCDI. Las imágenes Power Doppler muestran la potencia integral de la señal reflejada que surge del tejido en movimiento (p. ej., la sangre) en la técnica Doppler flujo-color convencional. La PDI típicamente tiene una mayor sensibilidad que la CDI y suministra buenos datos del flujo sanguíneo incluso cuando la dirección del flujo sanguíneo se encuentra en ángulos Doppler inadecuados (que a menudo no pueden visualizarse bien con CDI). Esta tecnología puede producir imágenes de estructuras que normalmente no se ven en la ecografía. Sin embargo, el Power Doppler no proporciona datos cuantitativos, tales como la velocidad o la dirección del flujo. La PDI normalmente presenta bajas velocidades de fotogramas y está sujeta a artefactos de movimiento, lo que la hace inadecuada para la evaluación de estructuras en movimiento rápido tales como el corazón.

Algunos sistemas ofrecen un modo triplex, que adquiere y presenta en forma simultánea datos en modo B 2-D, Doppler espectral, y flujo-color. El modo Triplex puede ser útil para la evaluación del flujo sanguíneo y sus anomalías en los vasos pequeños.

 

Fecha de publicación en ecri.org: 10/1/2014

Artículo proveniente de la edición impresa Abril-Mayo de 2016 con el código EH0416ECRIULTRA1

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