di Massimo Pappalardo e Giosuè Caliano
L’ultima frontiera dell’ecografia è la “visione” tridimensionale in tempo reale (4D) degli organi interni. Que-st’affascinante sfida impone una “rivoluzione” sia nella tecnologia delle sonde da utilizzare che nell’approccio elettronico-sistemistico da implementare sulle macchine ecografiche. La progettazione di simili apparati sa-rebbe impossibile senza il calcolo intensivo.
• Abstract
Many academic and industrial research teams are working towards the improvement of ultrasound techniques for medical diagnostic applications, in order to have volu-metric echographic images in real time. The unique way to approach this problem is to use a matrix array transducer and to develop an echographic system able to handle thousands of electronic channels. A volumetric echographic system is a hard task ! During the past decades huge advances have been made in the field of ultrasound im-aging for medical diagnostic applications. Conventional echographic probes are based, by now, on the mature piezoelectric technology. Recently, alternative technologies based on different operating principles have been proposed. In particular, the silicon micromachined capacitive ultrasonic transducer technology (cMUT) has shown to be suitable for the replacement of the current technology. The main benefits of cMUT tech-nology can be found in the silicon micromachining process, commonly used in micro-electronics. In order to have real time volumetric images a two dimensional matrix transducer must be used; the afore mentioned cMUT technology is well suited for this type of new transducers. Roma Tre has a program to develop this kind of transducers but, because their geometrical characteristics are strongly dependent on the structure of the echographic system used, a preliminary exploration must be made in order to define its principal features. This activity entails a huge amount of end-to-end simula-tions of the whole process, from signal acquisition to the final image, to assess the im-pact of design choices on diagnostic capabilities.
Ing. Giosuè Caliano
Dipartimento di Ingegneria Elettronica
Università Roma Tre giosue.caliano@uniroma3.it
Prof. Massimo Pappalardo
Dipartimento di Ingegneria Elettronica
Università Roma Tre pappalar@uniroma3.it
I sistemi ecografici forniscono un’immagine in sezione degli organi interni del corpo umano su un piano detto “piano di scansione”. L’immagine è costruita de-flettendo e focalizzando un fascio di ultrasuoni il cui asse giace nel piano di scan-sione ed acquisendo gli echi riflessi lungo tale asse (linea di vista). Il fascio acustico è controllato tramite trasduttori lineari (1D), tipicamente di 64, 128 o 192 ele-menti, grazie a un sistema elettronico noto come beam-forming. All’aumentare del numero di elementi del trasduttore, e quindi dei canali del beam-forming, aumenta la risoluzione, cioè la qualità dell’immagine. In altri termini, per miglio-rare le prestazioni del sistema è necessario aumentarne la complessità.
Per seguire il movimento è necessario acquisire un numero di immagini al se-condo non inferiore a 10-20. Al fine di ottenere la riproduzione di un volume è necessario acquisire, su piani di scansione distinti, un congruo numero di imma-gini, che opportunamente elaborate via software, permettono la rappresentazione tridimensionale.
I primi tentativi di acquisire immagini ecografiche tridimensionali risalgono agli anni ‘90. Combinando la scansione elettronica ottenuta mediante un classico trasduttore lineare con quella meccanica realizzata traslando e ruotando il tra-sduttore stesso, si possono ricostruire differenti piani di vista e quindi un volume. Tali sistemi, noti come ecografi 3D, sono attualmente commercializzati da tutte le maggiori aziende operanti nel campo dell’ecografia per diagnostica medica.
Gli ecografi 3D forniscono un immagine tridimensionale con una risoluzione paragonabile a quella dei sistemi lineari classici, tuttavia, la scansione meccanica è lenta e non consente il tempo reale. Si possono applicare solo quando gli or-gani interni possono essere resi immobili per il tempo necessario all’acquisizione volumetrica (2-3 secondi), per esempio in ginecologia invitando la paziente a trattenere il respiro (Figura 1). La rappresentazione volumetrica delle valvole cardiache, che necessita di una successione di piani di scansione molto veloce, circa 120 al secondo, non può essere ottenuta con una scansione mista elettro-nico-meccanica.
CASPUR ANNU
AL REPOR
T EDIZIONE 2009
Figura 1
Un trasduttore costituito da una matrice di elementi bidimensionale, anziché li-neare, consente l’indirizzamento totalmente elettronico di un fascio ultracustico in qualsiasi direzione dello spazio, scandendo un volume, a velocità sufficiente. Questa rappresentazione 4D costituisce una delle frontiere di ricerca della mo-derna eco-cardiografia. Attualmente solo Philips commercializza un sistema 4D cardiologico, mentre è noto che General Electric (GE) e Siemens, stanno lavorando per sviluppare sistemi con prestazioni simili.
La realizzazione di un prototipo di sonda 4D per uso cardiologico può apparire ambizioso essendo, oggi, uno sviluppo di frontiera nel campo delle sonde eco-grafiche; va però considerato che gli autori hanno sviluppato una nuova tecnologia per la realizzazione di sonde ecografiche, la cosiddetta tecnologia cMUT (v. riqua-dro), che ben si presta alle applicazioni 4D.
• Formazione dell’immagine volumetrica
In estrema sintesi, si può dire che un sistema ecografico deflette e focalizza il fa-scio acustico assegnando, per ogni istante di tempo, sia in trasmissione che in ri-cezione, una determinata fase e/o ritardo ad ogni elemento della sonda. L’elettronica che opera questi ritardi costituisce il sistema di beam-forming di cui abbiamo parlato. Negli ecografi basati su trasduttori lineari, l’elettronica di beam-forming è contenuta nell’ecografo ed i segnali sono trasmessi ai singoli elementi del trasduttore sito nella sonda tramite cavi schermati indipendenti. Una sonda per ecografia volumetrica è invece bidimensionale e quindi il beam-forming deve assegnare una distribuzione di fasi e/o ritardi su una superficie, gestendo, a parità di capacità di penetrazione, risoluzione, ecc., un numero di canali pari al quadrato di quello di un equivalente sistema ecografico lineare convenzionale.
Prendendo come riferimento una sonda settoriale convenzionale per uso car-diaco, l’anatomia del paziente (la finestra pericardica) ed il tipo di scansione im-pongono un numero minimo di 64 elementi, cioè un beam-forming di 64 canali. Lasciando inalterate queste condizioni, e volendo scandire un volume anziché una sezione, sarà necessaria una sonda costituita da un quadrato di 64x64=4096 ele-menti. Qualora il beam-forming di questa sonda fosse completamente allocato nell’ecografo, sarebbero necessari altrettanti cavi di collegamento singoli. È facile intuire che un tale numero di collegamenti è impraticabile. È quindi necessario adottare una strategia di beam-forming che suddivida le funzioni da esso svolte assegnandone parte ad una specifica elettronica da integrare nella sonda stessa e parte all’ecografo, in modo da ridurre drasticamente il numero di cavi di colle-gamento.
• Strategia del
Beam-Forming
all’attuale stato dell’arte di 192. La recente letteratura scientifica evidenzia tre ap-procci, sviluppati o in fase più o meno avanzata di sviluppo, al problema.
Il “Beam forming” a zone di fase costante (anche noto come Reconfigurable Array), probabilmente già utilizzato commercialmente, sfrutta il fatto che, dati un particolare angolo di deflessione e una distanza focale del fascio acustico, esistono sempre sulla superficie del trasduttore zone a fase costante. Nel caso più generale, queste zone sono dei semi-anelli a corona variabile, le cui dimensioni e posizioni dipendono, appunto, dall’angolo di deflessione e dalla distanza focale. Al variare di questi ultimi, tramite interruttori elettronici interposti tra elementi contigui (Fi-gura 2a), si collegano elettricamente, tra di loro e ad un unico cavo, tutti gli ele-menti della matrice appartenenti ad una stessa zona equifase. Questa soluzione riduce notevolmente il numero dei cavi ma necessita l’integrazione nella sonda di una matrice di circa 4000 interruttori cMOS ad alta tensione e dell’elettronica di pilotaggio e front-end.
Nel Micro beam forming, invece, si sfrutta la considerazione che in ogni caso ele-menti contigui di una zona della sonda hanno ritardi che differiscono solo di poco tra di loro. Il trasduttore viene quindi diviso in zone contigue i cui elementi sono pilotati dallo stesso cavo, mentre i differenziali di ritardo fra i singoli elementi ven-gono creati e gestiti localmente. Essendo di piccola entità, tali ritardi possono essere generati mediante sfasatori analogici. Lo svantaggio di questa soluzione è che sfa-satori e linee di ritardo analogiche sono difficilmente integrabili ad alta densità sul trasduttore stesso, a causa della presenza di elementi induttivi (Figura 2b).
Nel Campionamento temporale, infine, i segnali provenienti da gruppi di circa 16 elementi della sonda sono letti e campionati da un multiplexer a frequenza molto elevata ed inviati all’ecografo mediante un unico cavo (Figura 2c), utiliz-zando tecniche TDM (Time Division Multiplexing) molto sviluppate nel campo delle telecomunicazioni. L’ecografo separa e ricostruisce nel tempo i segnali di ciascun elemento, operando completamente il beam-forming a livello digitale. Questo è l’approccio più flessibile dei tre, ma sicuramente il più pesante dal punto di vista dell’elettronica da integrare nella sonda e da allocare nell’ecografo, e comporta una rivoluzione dell’impostazione progettuale tradizionale.
Gli autori stanno studiando un’interessante variante di questo approccio, che associa i vantaggi del sistema TDM a quelli peculiari dell’approccio a zone a fase costante. L’idea di base è quella di sommare i campioni dei segnali relativi ad elementi fa-centi parte di una stessa zona equifase direttamente nella sonda ed inviare i cam-pioni somma all’ecografo il quale provvederà a ricostruire i segnali di ciascuna zona equifase, ritardarli ed infine som-marli. Con questo approccio si “dovrebbe” ottenere una sensi-bile riduzione della complessità, rispetto al sistema TDM, sia del-l’elettronica da integrare nella sonda che di quella residente nell’ecografo.
Indipendentemente dall’ap-proccio utilizzato, la riduzione della complessità del sistema implica la rinuncia a parti dei se-gnali prodotti dagli elementi del trasduttore. L’unico modo di va-lutare e minimizzare l’impatto dell’approccio scelto sulle presta-zioni diagnostiche dello stru-mento è quello di simulare il sistema ecografico, dal trasdut-tore fino alla produzione dell’im-magine volumetrica. Si tratta di un problema complesso, per il quale non esistono applicazioni
ECOGRAFO SONDA
DELAY LINE
DELAY LINE
CAVO
BEAM FORMING MICRO-BEAM FORMING SFASATORE 1 n n 1 2 2 1 n 2 DELAY LINE ECOGRAFO SONDA CAVO BEAM FORMING 1 2 192 MPX MPX MPX 1 16 3 2 1 16 3 2 1 16 3 2 Figura 2 Strategie di beamforming: b) micro beamforming; c) campionamento temporale. b) c)
• Tecnologia di microlavorazione del silicio
Il limite delle prestazioni dei sistemi ecografici per diagnostica medica è insito nei trasduttori ad ultrasuoni, cioè nei dispositivi capaci di generare e ricevere onde ultracustiche. La quasi totalità di quelli in uso utilizza il ben noto effetto piezoelettrico che si verifica in alcune ceramiche. La tecnologia dei trasduttori piezoelettrici è matura, e fornisce buone larghezze di banda e sensibilità, ma ha quasi raggiunto i limiti intrinseci di sviluppo.
Recentemente è stato ampiamente dimostrato che l’effetto elettrostatico co-stituisce una valida alternativa all’effetto piezoelettrico.
Nel 1996 sono stati realizzati presso l’Università di Stanford, USA, e a partire dal 1998 presso l’Università di Roma Tre, i primi trasduttori ultracustici elettro-statici a cella chiusa attualmente noti con la sigla cMUT (Capacitive Micromachi-ned Ultrasonic Transducer). Essi consistono in un insieme bidimensionale di microcelle elettrostatiche chiuse (Figg. 3a e 3b), connesse elettricamente in pa-rallelo e pilotate in fase, realizzate con tecniche di microlavorazione superficiale del silicio (MEMS). Gli ampi sviluppi successivi hanno raggiunto caratteristiche competitive, se non migliori, dei tradizionali trasduttori piezoelettrici.
CASPUR ANNU
AL REPOR
T EDIZIONE 2009
integrate e che quindi richiederebbe l’uso di software differenti per le varie parti del sistema.
Presso l’Università di Roma 3 è stato sviluppato e validato un prototipo di ap-plicazione in Matlab, che simula il comportamento dell’elettronica di beam-for-ming e di ricostruzione dell’immagine di un bersaglio sintetico. Per la simulazione del trasduttore ultrasonico è stato utilizzato il modulo Field II1, che simula
analiti-camente la generazione e la rivelazione di campi acustici. L’applicazione, che già utilizza una parallelizzazione coarse-grained, impiega comunque 30 giorni su 4 processori per generare un’immagine ecografica virtuale, un tempo eccessivo per il processo di ottimizzazione, che richiede la simulazione di un numero elevato di casi, al variare dei parametri progettuali. Il gruppo si è rivolto al CASPUR, il cui personale sta collaborando ad ottimizzare il codice e ad aumentarne il grado di parallelismo, per renderlo utilizzabile sul nuovo cluster Matrix a 2048 core, ed ab-battere drasticamente il tempo necessario per ogni simulazione.
1http://server.oersted.dtu.dk/personal/jay/field. Figura 3
Un trasduttore cMUT realizzato presso l’Università di Roma Tre: il dispositivo (a) è costituito da migliaia di celle elementari (b).
a)
