Sistema de formación de imágenes por ultrasonidos de alta frecuencia y de alta frecuencia de fotogramas.

Un sistema (100) para desarrollar una imagen por ultrasonidos,

que comprende:

una cabeza de barrido que tiene un transductor (8) con capacidad para generar energía de ultrasonidos auna frecuencia de al menos 20 megahercios (MHz), en el que dicho transductor (8) está encapsulado en elinterior de un volumen cerrado que está definido parcialmente por una ventana acústica (125) posicionableentre el transductor y un sujeto (108);

un motor de par configurado para hacer oscilar el transductor en el interior del volumen cerrado a lo largode un recorrido arqueado convexo oscilante a una frecuencia de al menos 7,5 Hz, en el que el transductorestá configurado para transmitir energía de ultrasonidos a través de la ventana acústica al interior del sujetoy recibir ecos ultrasónicos del sujeto a través de la ventana acústica;

un codificador (128) de la posición configurado para determinar la posición espacial del transductor (8) a lolargo del recorrido arqueado convexo oscilante con una precisión de 1 micrómetro (μm); y

un procesador (134) para procesar los ecos ultrasónicos recibidos a través de la ventana acústica mientrasque se hace oscilar el transductor a una frecuencia de al menos 7,5 Hz para generar una imagen porultrasonidos con una frecuencia de imagen de al menos fotogramas por segundo (fps) y en el que elprocesador está configurado para generar la imagen por ultrasonidos para que tenga una resoluciónespacial igual o menor de 100 micrómetros (μm).

Sistema de formación de imágenes por ultrasonidos de alta frecuencia y de alta frecuencia de fotogramas Las cabezas de barrido desarrolladas a finales de la década de 1970 y a comienzos de la década de 1980 para formar imágenes de tejido humano siguen siendo útiles para muchas aplicaciones de formación de imágenes por ultrasonidos. Un transductor ubicado en la cabeza de barrido comprende discos de material piezoeléctrico, que cuando es excitado vibra eléctricamente a una frecuencia normalmente escogida para que esté entre 2 y 10 MHz. A estas frecuencias, la energía de vibración del transductor es direccional y se irradia desde dos caras de un disco circular delgado en haces razonablemente bien definidos. En general, la energía que se irradia desde la parte trasera del transductor es absorbida por un material adecuado mientras que la que se irradia desde la parte delantera es aplicada al paciente por medio de un fluido capaz de transmitir energía ultrasónica con características de baja pérdida. Saliendo a través de un tapón delgado de baja pérdida, la energía es aplicada adicionalmente al paciente con un gel sonotransparente aplicado sobre la piel del paciente. Ecos resultantes de la interacción de la energía de ultrasonidos con el tejido corporal atraviesan el mismo recorrido a la inversa, y cuando impactan en el transductor generan una señal eléctrica cuya intensidad es una función de la ecogenicidad de un objetivo en el interior del paciente y de la profundidad del objetivo por debajo de la piel del paciente. Se determina la ubicación en profundidad a partir del intervalo de tiempo entre el impulso transmitido y el eco recibido. Con esta información y la información direccional suministrada por un codificador de posición acoplado al transductor, las cabezas de barrido generan una imagen en escala de grises del tejido que se encuentra en un plano de barrido en el interior del paciente, que es renovada y actualizada con cada barrido del transductor a través del plano de la imagen. Dos barridos del transductor comprenden un ciclo operativo, denominado 1 Hz, y es equivalente a dos fotogramas por segundo.

Las imágenes por ultrasonidos bidimensionales (también denominadas ecografías en modo B) están compuestas de un número de líneas adyacentes de datos de ultrasonidos denominadas ecografías en modo A, que son adquiridas de la cabeza de barrido mediante barridos sucesivos del transductor. La línea de datos de ultrasonidos es adquirida cuando un transductor transmite el impulso ultrasónico al tejido que está siendo estudiado y luego recibe la señal ultrasónica reflejada por el tejido a lo largo de un eje del haz del transductor. Las líneas de datos de ultrasonidos están ubicadas en el mismo plano y normalmente están separadas a intervalos constantes. Cada línea de datos es adquirida con el eje del haz ultrasónico movido lateralmente en el plano en una distancia incremental conocida. La imagen por ultrasonidos puede tener un formato lineal, en el que las líneas son paralelas entre sí y están separadas uniformemente, o un formato sectorial, en el que las líneas irradian desde un vértice con ángulos idénticos entre las mismas. Para producir una imagen de formato lineal, se mueve el transductor lateralmente, sin alterar el ángulo entre el transductor y la línea a lo largo de la que se mueve. Para producir una imagen de formato sectorial, se monta el transductor en un dispositivo, que gira en torno a un vértice, haciendo que el transductor se mueva en un arco. Según se mueve el transductor, se hace un seguimiento de la posición en el plano de barrido, de forma que un sistema asociado de ultrasonidos puede representar visualmente los datos de línea de ultrasonidos en las ubicaciones correctas en la imagen representada visualmente.

Los primeros sistemas de ultrasonidos de diagnóstico clínico utilizaban cabezas oscilantes de barrido para producir las imágenes de formato sectorial. Estos sistemas utilizaban ultrasonidos de baja frecuencia, en el intervalo de 2 a 5 MHz. Las cabezas oscilantes de barrido normalmente consisten en el transductor ubicado en una cámara llena de fluido, un motor, un codificador de la posición, y una ventana acústica a través de la cual pasaba el ultrasonido. Normalmente, el mecanismo de accionamiento del motor movía el transductor por un arco, lo que tenía como resultado un formato de imagen de tipo sectorial de barrido mientras que el codificador de posición mantenía un seguimiento de la posición del transductor. La pared de la cámara llena de fluido, que estaba orientada hacia el tejido del que se formaban imágenes, actuó como una ventana acústica, que estaba fabricada normalmente de un material plástico duro. Esta ventana permitía que pasasen los ultrasonidos a través con poca atenuación. Además, en general, existe una onda de ultrasonidos reflejada que no pasa a través de la ventana. Esta onda puede reverberar entre el transductor y la ventana varias veces antes de disiparse. Los componentes de reverberación, que golpean el transductor, pueden provocar una aberración no deseable en la imagen por ultrasonidos. La magnitud de la onda reflejada está determinada por el desequilibrio de impedancia acústica entre el material utilizado para la ventana y el fluido en la cámara del transductor. La cantidad de atenuación está determinada por el material de la ventana, que se produce según pasa la energía de ultrasonidos a través de la ventana. No son deseables ni la atenuación ni los reflejos en la ventana.

En la década de los 80 estos transductores de barrido mecánico comenzaron a ser sustituidos por dispositivos de estado sólido que consisten en una pluralidad de elementos piezoeléctricos estrechos que, cuando son excitados secuencialmente, pueden ser utilizados para construir una imagen. Estas cabezas de barrido de “matriz lineal” habían sido desarrolladas al mismo tiempo que las mecánicas, pero proporcionaban una peor calidad de imagen. Un desarrollo adicional, durante las décadas de 1980 y 1990, tuvo como resultado el desarrollo de cabezas de barrido de “matriz en fase”, que tienen la capacidad para excitar grupos de elementos de formas que permiten una orientación y un enfoque del haz electrónico, que en general producen mejores imágenes que cualquier cabeza mecánico de barrido y con frecuencias de imagen de 60 fotogramas por segundo. En la actualidad, las matrices en fase son utilizadas universalmente para formar imágenes por ultrasonidos de tejido humano. Sin embargo, un

sistema típico de matriz en fase que utiliza un transductor que opera a cinco MHz puede tener una resolución espacial de 0, 5 mm.

Una desventaja de las mayores frecuencias de operación es que según aumenta la frecuencia de operación, los problemas de fabricación hacen que suponga un reto construir un sistema de formación de imágenes de tipo matriz en fase. Como resultado, los sistemas actuales que operan en el intervalo de 30-40 MHz utilizan típicamente transductores de un único elemento de barrido mecánico, en cabezas de barrido similares en principio operativo a los sistemas de barrido mecánico descritos anteriormente. Sin embargo, las frecuencias elevadas tienen como resultado, en general, una mayor atenuación y, por lo tanto, se aumenta de forma significativa la atenuación debida a una ventana acústica. En consecuencia, los transductores actuales de alta frecuencia utilizan un transductor no encapsulado, que recibe un movimiento de vaivén de un servomotor lineal y un sistema de codificación de la posición. A frecuencias más elevadas (superiores a 30 MHz) , la encapsulación del transductor es impráctica debido a un descomposición de las características y las propiedades teóricas de materiales con frecuencias más elevadas.

Para transductores de alta frecuencia, dado que no están encapsulados, el transductor móvil está al descubierto. El acoplamiento acústico con el tejido del que se están forman imágenes se lleva a cabo al crear una masa de gel de ultrasonidos sobre la superficie del tejido, en la que se hace descender el transductor móvil. Una formación de imágenes satisfactoria depende de la existencia de una capa continua de gel entre el transductor y el tejido. Si el transductor pierde el contacto con el gel, o, si se forma una burbuja de aire sobre la superficie del transductor, la formación de imágenes se verá afectada o resultará incluso imposible. Este tipo de formación de imágenes está restringido a frecuencias relativamente bajas de imágenes, debido a que un transductor que se mueve rápidamente alterará la capa de gel y es más probable que pierda el contacto. Desventajas adicionales de los transductores al descubierto son que pueden suponer un peligro para el tejido delicado, y también pueden exponer al transductor... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (100) para desarrollar una imagen por ultrasonidos, que comprende:

una cabeza de barrido que tiene un transductor (8) con capacidad para generar energía de ultrasonidos a una frecuencia de al menos 20 megahercios (MHz) , en el que dicho transductor (8) está encapsulado en el

interior de un volumen cerrado que está definido parcialmente por una ventana acústica (125) posicionable entre el transductor y un sujeto (108) ; un motor de par configurado para hacer oscilar el transductor en el interior del volumen cerrado a lo largo de un recorrido arqueado convexo oscilante a una frecuencia de al menos 7, 5 Hz, en el que el transductor está configurado para transmitir energía de ultrasonidos a través de la ventana acústica al interior del sujeto y recibir ecos ultrasónicos del sujeto a través de la ventana acústica; un codificador (128) de la posición configurado para determinar la posición espacial del transductor (8) a lo largo del recorrido arqueado convexo oscilante con una precisión de 1 micrómetro (μm) ; y un procesador (134) para procesar los ecos ultrasónicos recibidos a través de la ventana acústica mientras que se hace oscilar el transductor a una frecuencia de al menos 7, 5 Hz para generar una imagen por

ultrasonidos con una frecuencia de imagen de al menos 15 fotogramas por segundo (fps) y en el que el procesador está configurado para generar la imagen por ultrasonidos para que tenga una resolución espacial igual o menor de 100 micrómetros (μm) .

2. El sistema de la reivindicación 1, en el que la ventana acústica (125) es desmontable.

3. El sistema de la reivindicación 1, en el que se escoge la ventana acústica (125) de un policarbonato, un 20 poliéster, un acrílico y un polimetilpenteno.

4. El sistema de la reivindicación 1, en el que la ventana acústica comprende una membrana de material, en el que se escoge el material de poliéster, policarbonato, acrílico, elastómero termoplástico, elastómero de silicona, ionómero Surly®, Surlyn® 8940, Kapton®, polimetilpenteno, TPX® MX-002, TPX® 95, MX-004; Teflon®, Mylar®, polietileno, policarbonato, polipropileno y películas de poliuretano.

5. El sistema de la reivindicación 1, en el que la ventana acústica comprende una membrana de material, en el que el material es polietileno de baja densidad.

6. El sistema de la reivindicación 1, en el que el transductor (8) es capaz de generar energía de ultrasonidos a una frecuencia entre 20 MHz y 60 MHz.

7. El sistema de la reivindicación 1, en el que el transductor (8) está encapsulado en un fluido (15) de 30 acoplamiento acústico y tiene una flotabilidad neutra.

8. El sistema de la reivindicación 1, en el que la ventana acústica está configurada para evitar que el transductor haga contacto directamente con el sujeto.

9. El sistema de la reivindicación 1, en el que la imagen por ultrasonidos tiene una resolución espacial de menos de 30 micrómetros (μm) .

10. El sistema de la reivindicación 1, en el que la imagen por ultrasonidos tiene una resolución espacial d.

7. 100 micrómetros (μm) .

11. El sistema de la reivindicación 1, en el que el codificador de la posición es un codificador óptico (128) de la posición.

12. El sistema de la reivindicación 1, en el que el transductor (8) es un transductor ultrasónico piezoeléctrico 40 enfocado de un único elemento de alta frecuencia.

13. El sistema de la Reivindicación 1, en el que el motor de par está configurado para hacer oscilar el transductor a lo largo del recorrido arqueado oscilante a una frecuencia de al menos 15 Hz.

14. El sistema de la Reivindicación 1, el motor de par está configurado para hacer oscilar el transductor a lo largo del recorrido arqueado oscilante a una frecuencia de al menos 30 Hz.

15. El sistema de la Reivindicación 1, en el que el motor de par es un motor de par de ángulo limitado.