Budowa głowicy USG – co warto wiedzieć?

Głowica do USG to jeden z jego kluczowych elementów składowych. Bez niej żaden aparat USG nie mógłby działać. Sonda USG jest tą częścią ultrasonografu, która dotyka skóry pacjenta i umożliwia uzyskiwanie obrazów z wnętrza ciała. Jedna sonda USG nie może zapewnić optymalnej diagnostyki wszystkich organów. Potrzebowalibyśmy do tego nawet kilkunastu różnych sond. Pojedyncza głowica do USG przydaje się do obrazowania w kilku, a nawet w kilkunastu, różnych rodzajach badań.

Głowica USG, jak działa?

Omawiane w tym artykule głowice wyglądają jak trzymany ręką lekarza „trzonek” z aktywnym zakończeniem, połączony z ultrasonografem za pomocą kabla. To „aktywne zakończenie głowicy” może mieć różne kształty. Właśnie tę część głowicy przykłada się do ciała pacjenta. Właściwy żel do USG sprzęgający zapewnia dobry kontakt akustyczny, bez odbijającej ultradźwięki, warstewki powietrza. W kablu głowicy znajduje się kilkadziesiąt delikatnych, koncentrycznych przewodów sygnałowych zakończonych wtyczką, połączoną z gniazdem wejściowym aparatu. Warto zauważyć, że niezależnie od typu głowicy, mają one niezwykle precyzyjną, wrażliwą i delikatną konstrukcję, o czym możecie przeczytać więcej w artykule o “delikatnej konstrukcji głowic ultrasonograficznych”.

Rodzaje głowic USG – podział ze względu na budowę

Podział głowic wg ich technologii budowy:

• sonda USG w pełni elektroniczna
• sonda USG z mechanicznym ruchem wewnętrznego przetwornika.

Głowice elektroniczne dzielimy na:

• sonda elektroniczna nie obrazowa (dopplerowska)
• sonda elektroniczna obrazowa

Elektroniczne głowice obrazowe dzielimy na sondy do badań:

• endoskopowych
• śródoperacyjnych
• endokawitarnych (endowaginalnych i transrektalnych)
• głowice fazowe (tradycyjnie zwane sektorowymi)
• głowice liniowe
• konweksowe

Ze względu na różną budowę i kształt aktywnych zakończeń, omawiane głowice dzielimy na:

• fazowe (zwane też sektorowymi)
• liniowe
• konweksowe (wypukłe)

Budowa głowicy USG – fazowa (sektorowa)

Głowice fazowe są stosowane w badaniach tych organów, do których dostęp jest utrudniony ze względu na kości, ograniczające rozchodzenie się ultradźwięków w ciele pacjenta – stosuje się je najczęściej do badań serca (gdzie serce bada się przez wąską szczelinę pomiędzy żebrami) oraz do przezciemiączkowych badań mózgu u noworodków (gdzie mózg bada się przez niewielkie okno diagnostyczne ograniczone szybko kostniejącymi strukturami czaszki). Czyli jak zbudowana jest sonda USG fazowa?

Fazowa głowica USG, budowa szczegółowa

Głowica do USG fazowa (sektorowa) ma aktywną część czołową o płaskiej powierzchni, często zbliżonej do kwadratu o wymiarach ok. 10×30 mm. Typowo, głowice fazowe tworzą obraz o kształcie trójkąta o kącie około 90 -110 stopni. To całkiem spory kąt, zważywszy, że powierzchnia czoła tych głowic jest zupełnie płaska. Wewnątrz jej aktywnej, przykładanej do pacjenta części czołowej, znajduje się drabinka delikatnych, równoległych przetworników ultradźwiękowych, które służą jednocześnie do wysyłania impulsów ultradźwiękowych jak i do odbierania sygnału echa z głębi ciała. Przetworniki te są zatem zarówno mikroskopijnymi głośniczkami jak i mikrofonami pracującymi z częstotliwościami od jednego do nawet kilkunastu MHz (MHz – milion okresów na sekundę). Przetworniki te mają formę cieniutkich paseczków ceramiki piezoelektrycznej o przekroju znacznie mniejszym od przekroju zapałki i o długości ok. 7 – 20 mm. Jest ich w głowicy fazowej od ok. 48 do nawet 100. Ceramika ta jest bardzo delikatna i krucha.

Fazowa głowica do USG, obrazowanie

Z powodu niewielkiej liczby piezoelementów (wynikającej z niewielkich wymaganych wymiarów czoła głowicy) obrazy z głowic fazowych (sektorowych) nie zawierają aż tak wielu szczegółów jak obrazy z głowic liniowych czy konweksowych. Ale to właśnie ta niewielka liczba piezoelementów umożliwia bardzo szybkie przeskanowanie całego pola widzenia, co skutkuje szybkim, żywym obrazem. Ma to kluczowe znaczenie w badaniu serca –najbardziej mobilnego organu człowieka (w sercu płodu to zwykle 140 a czasem nawet ponad 200 ewolucji na minutę).

Budowa głowicy USG – liniowa

Do czego stosowane są głowice liniowe? Głowice liniowe stosuje się do badania struktur i przepływów w tzw. narządach powierzchownych, czyli w gruczołach (tarczyca, jądra, sutki) w laryngologii i onkologii (ślinianki, węzły chłonne), w ortopedii (stawy, ścięgna i przyczepy mięśniowe), w dermatologii (zmiany podskórne) oraz w badaniach naczyniowych (przepływy naczyń obwodowych i głębokich) a nawet w oftalmologii (gałka i mięśnie oka). Znamy znakomitych położników, którzy stosują te głowice do oceny serca płodu ze względu na ich wysoką rozdzielczość przy wysokiej częstotliwości przemiatania. A zatem tzw. “linia” to typ głowicy o najszerszym zastosowaniu.

Liniowa głowica USG, budowa szczegółowa

Budowa sondy USG liniowej jest bardzo podobna do budowy głowicy fazowej. Czoło głowicy liniowej jest prawie całkowicie płaskie, oprócz delikatnej wypukłości silikonowej soczewki. Wypukłość ta służy do ogniskowania ultradźwięków w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny skanowania. Czoło głowicy do USG liniowej jest dłuższe niż fazowej i ma długość od 42 – 60 mm.

Częstotliwości przetworników w głowicach liniowych są zdecydowanie wyższe od tych w głowicach konweksowych i fazowych i mieszczą się w przedziale od ok. 7 – 27 MHz. Głowica liniowa ma zdecydowanie więcej i jeszcze mniejszych piezoelementów niż głowica fazowa (sektorowa). Jest ich najczęściej 128, 192 lub nawet 256. Ogromna ilość przetworników ułożonych na niewielkiej przestrzeni umożliwia uzyskiwanie niewiarygodnie precyzyjnych obrazów ultrasonograficznych. W piersi potrafimy wyróżnić dwie mikro kalcyfikacje o średnicy 0,1 mm (100 mikrometrów) odległe od siebie o mniej niż 0,2 mm. Piezoelementy w głowicach liniowych są nie tylko węższe, ale również krótsze, dzięki czemu grubość wiązki ultradźwięków w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny skanowania, jest mniejsza niż w głowicy fazowej. Dodatkowo zwiększa to ilość szczegółów w obrazie. Ze względu na wysokie częstotliwości głowic liniowych i silne tłumienie ultradźwięków, o tak wysokich częstotliwościach, głębokość penetracji głowic liniowych jest najkrótsza i sięga zaledwie do około 10 -14 cm w głąb ciała (najczęściej obrazuje się narządy do głębokości 2-5 cm). Przy tak małej głębokości obrazowania czas powrotu ech jest bardzo krótki, co przekłada się na szybkie, żywsze obrazy.

Liniowa głowica do USG, obrazowanie

Obraz z głowicy liniowej ma najczęściej postać prostokąta prostopadłego do powierzchni skóry pacjenta o szerokości w przybliżeniu równej długości czoła głowicy i wysokości równej nastawionej głębokości obrazowania. Większość ultrasonografów zapewnia również obrazowanie “trapezoidalne” czyli pokazujące nieco tkanek położonych na prawo i na lewo od wyżej opisanego prostokąta.

Budowa głowicy USG – konweksowa

Sondy konweksowe obrazują położnictwo, wszystkie narządy jamy brzusznej i narządy miednicy. Incydentalnie można użyć głowicy konweksowej do jednoznacznego określenia wymiarów bardzo powiększonej tarczycy, gdyż niekiedy brak jest głowicy liniowej o tak długim czole. Rozdzielczość głowic konweksowych pozwala mierzyć struktury sub-milimetrowe a zatem dokładnie pomiędzy “najostrzejszymi” głowicami liniowymi i zawierającymi najmniej szczegółów głowicami fazowymi.

Konweksowa głowica USG, budowa szczegółowa

W języku angielskim „convex” znaczy „wypukły”. Sondy konweksowe należą do jednych z największych głowic USG (nie licząc głowic objętościowych, przezpochwowych, endorektalnych, endoskopowych i przezprzełykowych). Długość czoła głowic konweksowych jest jednak zdecydowanie największa spośród wszystkich rodzajów głowic USG i waha się w przedziale od ok. 5 do ok. 10 cm.

Budowa głowicy konweksowej jest bardzo podobna do głowicy liniowej, jednak, gdy w “linii” kryształy ułożone są płasko to w “konweksach” tworzą one łuk w formie jakby niewielkiego “pagórka”. Dłuższy bok czoła głowicy jest wygięty w łuk, co czyni jej czoło „paseczkiem” wyciętym z obwodu walca.

Konweksowa głowica do USG, obrazowanie

Częstotliwości sond konweksowych (zwanych niekiedy brzusznymi) zawierają się zwykle w przedziale od 1 do ponad 9 MHz. Ukryte pod powierzchnią głowic konweksowych przetworniki zawierają się w granicach od 80, poprzez 92, 128, 192 aż do 256. Piezokryształy mogą być więc szersze, większe i mieć większe powierzchnie od tych w głowicach liniowych. Dzięki większym powierzchniom piezokryształy mogą „nałapać” więcej energii, co umożliwia osiągnięcie rekordowych zasięgów obrazowania – nawet aż do 35 cm. Obraz z głowicy konweksowej bardzo łatwo odróżnić od innych, gdyż jest to wycinek pierścienia (tarczy) o kącie od 50 – 110 stopni.

Budowa głowicy USG – matrycowa

Wszystkie z głowic fazowych, liniowych i konweksowych mogą być wykonane w wersji matrycowej. Jedyną różnicą w konstrukcji głowicy matrycowej jest podział każdego paseczka z ceramiki piezoelektrycznej na 3 lub 5 lub więcej części. Teoretycznie może to poprawiać rozdzielczość detali na obrazie o około 20%. Jednak ceną za ten niewielki wzrost jest konieczność umieszczenia w głowicy setek miniaturowych linii opóźniających i układu formowania wiązki (tzw. beamformer). Ta dodatkowa elektronika w głowicy nie tylko się grzeje ale dodatkowo może podwyższać poziom zaszumienia obrazu.

Najciekawszymi głowicami matrycowymi są matrycowe głowice objętościowe (2-wymiarowe głowice matrycowe). Czoło takiej głowicy ma często postać kwadratu o boku ok. 5 – 7 cm. Pod powierzchnią czoła głowicy ukryta jest dwuwymiarowa drabinka przetworników ultradźwiękowych, którą można byłoby porównać do kilkudziesięciu ułożonych równolegle do siebie głowic liniowych.

Matrycowa głowica do USG, obrazowanie

Matrycowa głowica objętościowa pozwala zmieniać płaszczyznę obrazu bez żadnych ruchomych części i bez konieczności przemieszczania głowicy. Głowica tego typu ma możliwość obrazowania wszystkich tkanek w obrębie pewnej objętości, ograniczonej geometrią i zasięgiem przetworników piezoelektrycznych. Zmiana płaszczyzny obrazu uzyskiwana jest poprzez wykorzystywanie w jednym czasie przetworników z wielu rzędów i kolumn matrycy. Przemiatanie objętości badanej jest całkowicie elektroniczne, niezwykle szybkie co pozwala na obrazowanie serca w czasie rzeczywistym. Może się okazać, że po rozwiązaniu problemów wysokiej ceny, matrycowe głowice objętościowe staną się głowicami przyszłości ze względu na współpracę aparatów USG z algorytmami sztucznej inteligencji.

Budowa głowicy USG – mechaniczna objętościowa

Obrazowanie objętościowe umożliwia nie tylko automatyczne, szybkie przemiatanie wielu płaszczyzn obrazowanej objętości badanej, ale zapewnia także wirtualne filmowanie struktur ciała zanurzonych w płynie, niewidocznym na obrazie, jakby filmowanie podwodne. Główne zastosowanie tych głowic jest oczywiście w położnictwie, ale również w onkologii, a nawet w przestrzennej wizualizacji organów miednicy mniejszej (np. w uroginekologii). Tego typu wielopłaszczyznowe obrazowanie przestrzenne pozwala mierzyć kąty w płaszczyznach leżących w pewnej odległości od siebie. Nie można tego typu pomiarów dokonać innymi głowicami jak tylko głowicami objętościowymi i to tylko dzięki wyspecjalizowanemu oprogramowaniu.

Mechaniczna, objętościowa głowica USG, budowa szczegółowa

Mechaniczne głowice objętościowe mogą być konweksowe albo liniowe. Konweksowa objętościowa głowica mechaniczna wygląda podobnie do głowicy konweksowej, ale jest nieco większa i cięższa od niej. Wnętrze aktywnej części głowicy wypełnione jest olejem przewodzącym ultradźwięki, w którym obracana jest motorowo miniaturowa głowica konweksowa. Niewielki silniczek elektryczny umieszczony wewnątrz uchwytu głowicy przemiata miniaturową głowicą konweksową ruchem obrotowym w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny konweksu.

Mechaniczna, objętościowa głowica do USG, obrazowanie

Podczas jednej sekundy można kilkukrotnie przeskanować całą objętość bez ręcznego poruszania uchwytem głowicy. Gdy silnik głowicy jest nieruchomy można głowicą objętościową badać jak zwykłym konweksem. I tak właśnie postępują położnicy badający płód zanurzony w wodach płodowych wewnątrz macicy. Bada się wstępnie pacjentkę głowicą objętościową z zatrzymanym silnikiem, jak zwykłym konweksem, aby po ustawieniu głowicy we właściwym położeniu uruchomić mechaniczne przeskanowanie całej objętości jeden raz (3D), lub w trybie skanowania ciągłego (zwanego 4D). Tego typu wizualizacje pozwalają przyszłym rodzicom zobaczyć swoje maleństwo w czasie rzeczywistym, niczym z kamery ukrytej wewnątrz macicy pacjentki. Głowice tego typu, przy powolnym, gęstym skanowaniu pozwalają na uzyskanie niezwykłej rozdzielczości i ilości szczegółów powierzchni ciała nienarodzonego dziecka jak paluszki, małżowiny uszne, powieki a nawet rzęsy! Można też oceniać dziecko i ułożenie pępowiny w ruchu, na żywo, kilka klatek na sekundę i to na kilka miesięcy przed porodem.

Podsumowanie

Jak widać konstrukcja i technologia głowic ultrasonograficznych jest ciekawą dziedziną. Na świecie istnieje wiele firm, które opracowują i produkują tylko i wyłącznie głowice ultrasonograficzne, ale nie produkują ultrasonografów. Z kolei wielu znanych producentów ultrasonografów nie produkuje samemu głowic do swoich aparatów USG. W takim wypadku firmy te muszą je kupować od innych producentów, co nie jest optymalne, ani ze względu na cenę końcowego produktu, ani ze względu na dopasowanie aparatu USG do outsourcowanych głowic.

Alpinion jest jedną z nielicznych firm na świecie, która produkuje własne głowice USG! Ponadto Alpinion produkuje i sprzedaje swoje sondy USG innym firmom, które nie posiadły trudnej technologii produkcji sond ultrasonograficznych.

Bibliografia:

1. https://radiopaedia.org/articles/ultrasound-transducer
2. https://radiopaedia.org/articles/linear-array?lang=us
3. Zhong F, Hu W, Zhu PN, Wang H, Ma C et al. Piezoresistive design for electronic skin: from fundamental to emerging applications. Opto-Electron Adv 5, 210029 (2022). 
4. RESEARCH ON PMN-PT SINGLE CRYSTAL, Internal Research Paper, https://www.alpinion.com/en/product/product_transducer.do