Echo's van zacht weefsel; Breedband transducers voor scherper beeld van foetus

Van vele baby's staat tegenwoordig al vóór de geboorte een video-opname in het rekje naast het televisietoestel. Meestal krijgen toekomstige oma's en opa's, ooms en tantes krijgen het te zien. Soms echter leggen de aanstaande ouders een embargo op vertoning: de opname laat dan met aan zekerheid grenzende waarschijnlijkheid het geslacht van het ongeboren kind zien en ze wensen niet te onthullen of het een stamhouder of een meisje wordt. Het dilemma zal nog zwaarder worden: binnenkort is de opname zo scherp dat vastgesteld kan worden of de foetus op vader of op moeder lijkt.

Al die mogelijkheden en problemen worden geboden en veroorzaakt door de echografie. Een echograaf maakt beelden van het binnenste van levende mensen met behulp van ultrageluid. Een sonde die tegen de huid wordt geduwd zendt geluid, beter gezegd drukgolven met hoge frequentie, uit. De geluidsgolven weerkaatsen tegen de grensvlakken van weefsels met verschillende dichtheden. De echo's worden geregistreerd en kunnen stante pede (in real time) worden verwerkt tot een monitorbeeld.

Ultrageluidsgolven hebben als voordeel dat ze voor niemand schadelijk zijn, terwijl je met röntgenstralen niet te kwistig moet zijn. De echograaf is het enige apparaat waarmee de foetus in de baarmoeder veilig kan worden bestudeerd. Bij vrijwel alle vrouwen die in verwachting zijn wordt tegenwoordig wel bij een controle een echo van de foetus gemaakt. Vruchtwaterpunctie en vlokkentest zijn zonder echo-apparatuur niet veilig uit te voeren, de gynaecoloog weet dan niet waar hij moet prikken.

Minder bekend zijn de echografietoepassingen in de cardiologie en radiologie. In de radiologie wordt de echograaf voor diagnostiek gebruikt naast en in combinatie met de CT-scan en MR-imaging, die beelden vormen met röntgenstralen respectievelijk met magneetvelden. Vooral in buik en hals wordt veel gekeken naar alvleesklier, lever, lymfevaten, nieren, testikels en bloedvaten. Waar botten en lucht in de weg zitten is geen beeldvorming mogelijk. Cardiologen en radiologen gebruiken vaak de Dopplertechniek waarmee kan worden gekeken of door bloedvaten nog bloed stroomt en hoe snel dat gaat.

Beroerde beelden

Ondanks de beroerde beelden die de eerste echografen vijftien jaar geleden leverden, kreeg het apparaat zijn kans omdat zacht weefsel zichtbaar wordt terwijl röntgenstralen vooral botten zichtbaar maken. De kwaliteit verbeterde in de loop van de jaren gradueel. Maar dit voorjaar is de kwaliteit van de echografie-apparatuur met een sprong vooruit gegaan met de introductie van de techniek van High Definition Imaging van de Amerikaanse producent ATL. Rond de introductie van de nieuwe techniek steeg de waarde van de aandelen van ATL op Wall Street van 25 tot 45 dollar. ATL levert het apparaat voor ongeveer een half miljoen nu ook in Nederland. Wie al het beste apparaat van ATL heeft (de Ultramark 9) kan dat voor enkele tienduizenden guldens laten ombouwen. In het Academisch Ziekenhuis in Utrecht ontlokte radioloog dr. M. van Leeuwen onlangs diverse aah's en ooh's aan de kelen van collega-radiologen bij een videodemonstratie van het resultaat van twee dagen werken met een systeem dat in het AZU was geïnstalleerd om kopers te lokken.

Het succes van ATL schuilt in de digitalisering die verder is doorgevoerd dan bij de concurrenten in de high-end markt van de echo-apparatuur. Alleen de geluidsgolven die in de patiënt terechtkomen zijn nog analoog en dat moet zo blijven. Acuson, Toshiba en Acoustic Imaging hebben voorlopig het nakijken. Vice president C.F. Diaz schat de voorsprong van zijn bedrijf op vier jaar.

Het principe van echografie is simpel. Een geluidsgolf weerkaatst gedeeltelijk op een grensvlak tussen weefsels met verschillende dichtheden. Net als bij licht geldt: de hoek van inval is gelijk aan de hoek van terugkaatsing.

In de praktijk houdt de onderzoeker de sonde met de zender-ontvanger (in de echografie spreekt men van transducer) tegen de huid van de patiënt. Er bestaan verschillende soorten transducers. Veel gebruikt is een model waarin 128 tot 196 zend- en ontvangelementjes op een rij liggen. Zo'n element stuurt een puls uit, schakelt dan om tot ontvanger en registreert de echo. Dat gebeurt tientallen keren per seconde zodat een bewegend beeld kan worden getoond.

De frequentie van het ultrageluid - dat niet te horen is en waarvoor de term geluid dus eigenlijk misplaatst is - ligt tussen de 1 MHz (1.000.000 Hz) en 10 MHz. Hoorbaar zijn frequenties van ongeveer 50 tot 15.000 Hz. De voortplantingssnelheid van de geluidsgolven in spieren, vet en bloed varieert tussen de 1500 en 1600 meter per seconde, iets hoger dan in water (1500 m-s) maar veel hoger dan in lucht (330 m-s). Lucht is overigens een slechte geleider voor ultrageluid vandaar dat de transducer altijd in een goed geluidgeleidende gel over de huid van de patiënt wordt bewogen. In bot is de snelheid veel hoger, ruim 4000 m-s. De golflengte varieert derhalve in weefsel (golflengte = snelheid- frequentie) en is enkele tienden millimeters, waarmee meteen de grootte van de waarneembare details zijn aangegeven.

Die waarneemmogelijkheden zijn tamelijk oppervlakkig. De golven van 1 MHz leveren nog echo's op die van 23 centimeter diepte komen. Bij 10 MHz is de penetratie nog maar enkele centimeters. In hetzelfde weefsel is de golflengte bij 10 MHz tienmaal kleiner dan bij 1 MHz en met die factor varieert ook het oplossend vermogen. Diepere echo's leveren minder scherpe beelden.

Dikker en dunner

Ieder zend-ontvangelement in de transducer is een brokje piëzo-elektrisch materiaal. Dat heeft als eigenschap dikker en dunner te worden als er een elektrische wisselspanning over wordt gezet en geeft, omgekeerd, een elektrische stroom af als het een vormverandering ondergaat.

Het ultrageluid wordt opgewekt door korte tijd een wisselspanning met de frequentie van het ultrageluid aan te leggen. De vormveranderingen die erdoor ontstaan worden als drukgolf het lichaam van de patiënt ingestuurd. De na enkele tot tientallen microseconden opgevangen echo's worden door het piëzo-elektrische materiaal weer omgezet in elektrische pulsjes die verder worden bewerkt tot een tweedimensionaal beeld.

ATL heeft een fabrikant van piëzo-elektrisch materiaal opgekocht om de technologie in eigen huis te krijgen en slaagde erin een breedband transducer te produceren die een continuspectrum tussen 2,5 en 10 MHz afgeeft. Dergelijke breedbandtransducers bestonden tot nu niet. Van Leeuwen: ""De scherptediepte neemt daardoor enorm toe. Tot nu toe moest je voor scherpte op verschillende diepten een andere transducer gebruiken. Nu krijg je die informatie in één beeld. Er waren wel transducers die een aantal frequenties naast elkaar leverden, een soort pseudo-breedband.''

Voor de verwerking van de ontvangen echosignalen is ingewikkelde elektronica nodig. De op lijn liggende piëzo-elektrische elementen zenden kort na elkaar, of per groepje van drie, waarna de teruggekaatste ronde golffronten ook door naburige elementjes worden opgevangen. Die signalen komen enkele microseconden na elkaar aan en moeten weer samengebracht. Daarvoor werden vroeger analoge elektronische vertragingslijnen gebruikt die bestonden uit spoeltjes. Het principe was afkomstig uit de radartechnologie waar men veel ervaring heeft met het verwerken van echo's van teruggekaatste radarstralen. Ze hebben als nadeel dat er frequentieveranderingen en faseverschuivingen in plaats vinden, waardoor de kwaliteit van het signaal achteruit gaat. In de nieuwe ATL-apparaten worden de echo's meteen na ontvangst gedigitaliseerd en zijn de vertragingslijnen vervangen door chips. Het voordeel is dat de frequenties en fasen van de echo's niet meer door de spoeltjes worden benvloed waardoor het oorspronkelijke echosignaal beter bewaard blijft en de afbeeldingen scherper worden.

Voor de leek zijn de verschillen tussen oude en nieuwe apparatuur nog moeilijk te zien. De radioloog die weet wat hij kan verwachten is echter enthousiast. De echograaf levert nu beelden, bijvoorbeeld van buisjes in de lever met een doorsnede van 0,2 tot 0,4 mm of van kankergezwelletjes in weke weefsels, die niet door röntgenapparatuur zichtbaar worden gemaakt. Onthullend voor iedere toeschouwer is de scherpte waarmee een babygezichtje in de baarmoeder zichtbaar wordt. Nog een paar van dit soort verbeteringen aan de echograaf en de foto van de ongeborene lacht opa en oma al voor de geboorte vanaf de schoorsteenmantel toe.