Article pp.1-9 du Vol.13 n°1 (1983)

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l ditorial

Endoscopic ultrasound

E. SILVERSTEIN, D. GIULIANI, R. DAIGLE Squibb Medical Systems Group Bellevue, Washington (U.S.A.)

Echographie endoscopique

SUMMARY

The clinical application of ultrasound endoscopes is just beginning. The technical advantages of internal ultrasound are the use of high frequency, high resolution systems (because decreased penetration is less of a problem) and the elimination of gas and intervening tissue between the transducer and the target. However, the clinical usefulness of these systems remains to be demonstrated.

There are many potential applications of this combination of ultrasound and endoscopy. Two of the most interesting applications are the examination of the heart via the esophageal wall and examination of the intestinal wall itself. Transesopha- geal Echocardiography (TEEC) allows the cardiologist to image the heart without intervening air and without having to utilize acoustical windows in the chest wall [4]. This approach to echocardiography may add a new dimension to our understanding of cardiac pathophysiology. The second application is ultrasonic examination of the intestinal wall in cross-section. Utilizing ultrasound, the full-thickness intestinal wall can be imaged without surgery or full-thickness biopsy. The importance of Ibis approach in diagnosing and following diseases such as Crohn's disease and intestinal cancer are yet to be determined.

The usefulness of these methods in diagnosing diseases of other organs remains to be studied. It is yet to be determined whether we can diagnose early pancreatic cancer, diseases of the hepatobiliary tree, etc. Only when careful clinical studies of this new technology have been performed will be able to determine the role of ultrasound endoscopy in terms of clinical benefit to our patients.

RESUME

Les applications cliniques des ~cho-endoscopes sont h leur d~but. Les avantages techniques de l'Echographie interne sont I'utilisation de hautes frdquences, les systbmes de haute resolution (puisque la diminution de la p~n~tration n'est pus un probl~me) et f'~limination des g a z e t des structures intermEdiaires entre le transducteur et ta cible. Cependant, l'utilitd clinique de ces systPmes reste encore ~ d~montrer.

!1 existe plusieurs utilisations potentielles de cette eombinaison d'ultrasons et d'endoscopie. Les deux plus int~ressantes sont I'examen du coeur ~ travers la paroi eesophagienne et /'examen de la paroi intestinale elle-mgme. L'~chocardiographie transtesophagienne (TEEC) permet au cardiologue de visuatiser le cteur sans interposition d'air et sans avoir a utiliser des fen~tres acoustiques au niveau de la paroi thoracique [4]. Cet abord dchocardiographique offre une dimension nouvelle h la comprehension de ta physiopathologie cardiaque. La seconde application est l'examen ultrasonique de la paroi intestinale en section-crois~e. Par ultrasons, la totalit~ de la paroi intestinale peut Etre visualisEe sans le recours h la chirurgie ou la biopsie transpari~tale. La contribution de ce proc~d~ au diagnostic de maladie de Crohn ou de cancer intestinal reste h ~tablir.

L'utilit~ de ces m~thodes duns I'exploration diagnostique d'autres organes est ~ dtudier, par exemple la mise en dvidence de cancers pancrgatiques au d~but, de maladies h~patobiliaires, etc. Seu/es des dtudes cliniques approfondies permettront d'Evaluer le b~n~fice r~el apport~ par l'ultrasonographie endoseopique.

INTRODUCTION

Fiberoptic endoscopy is a widely used techni- que for the diagnosis of diseases of the gastroin- testinal tract. Endoscopes come in a variety of lengths and diameters. In almost all cases, the en- tire esophagus, stomach, duodenum and colon

can be examined. The endoscopist is able to vi- sualize the surface of normal mucosa and lesions but is usually unable to evaluate structures be- neath the surface. Endoscopic techniques may give some impression regarding rigidity or an ex- trinsic mass effect, but precise information cannot be obtained.

Address for reprints: E. SILVERSTEIN, Squibb Medical Systems Group, 13208 Northup Way, Bellevue, Washington 98005 (U.S.A.).

Key-words : endoscopy, heart, gastrointestinal tract, ultra- sonography.

Mots-cl(s : endoscopie, cceur, tractus gastrointestinal, ultrasonographie.

Acta Endoscopica Volume 13 - N" 1 - 1983 1

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Ultrasound for medical diagnosis is a rapidly changing field. Transducers of high frequency and resolution can be miniaturized and built onto flexible fiberoptic endoscopes. The advantage of a combination endoscopy and ultrasound is that it combines optical endoscopic viewing to examine the intestinal mucosal surface with high frequency ultrasound to examine structures beneath the surface including adjacent organs. The purpose of this paper is to review the current status of internal ultrasound and possible future directions.

Endoscopic ultrasound will only be a viable technique if new, useful information is obtained which benefits patients and is not available with present diagnostic techniques. At the present time, the clinician is confronted by a plethora of new diagnostic techniques. However, there are still several major medical problems such as eso- p h a g e a l c a r c i n o m a and pancreatic c a r c i n o m a which have not been influenced in terms of improved mortality or morbidity by these new diagnostic methods. The role of endoscopic ultrasound will be clarified when we know whether or not this technique will provide information which increases survival and decreases morbidity.

We are still early in the evolution of this new diagnostic approach to clinical medicine. As with any new technique, there are many questions to be addressed, especially those regarding clinical indications and usefulness of the device.

We will present some technical aspects and then review the status of clinical applications.

The endoscope. Ultrasound systems have been built onto several types of fiberendoscopes. There are some characteristics which identify optimal endoscopic configuration.

I n s t r u m e n t diameter. Instruments in the 8 to 9 millimeter diameter range are more easily tole- rated by patients than are endoscopes of the 12 to

13 mm diameter.

S h a p e of the tipe of the endoscope is important regarding ease of passage. A smooth tip is easier to pass than a tip with a covering hood or an abrupt edge.

Retroflexion. The ability to retroflex the endoscope is important because it allows the endoscopist to visualize the cardia and fundus of the stomach.

I m a g e orientation. Endoscopes with both side- viewing and end-viewing visual systems have been used for ultrasound endoscopy. End-viewing instruments are familiar to endoscopists and are easier to pass into the duodenum. However, with reasonable skill, a side-viewing instrument can be passed into the duodenum in most cases. An advantage of a side-viewing system might in theory be to visualize exactly what structure is being examined with ultrasound. However, for the ultrasound examination to be successful, the gas

around the tip of the endoscope must be removed to assure a good contact between the transducer and the mucosa. Therefore, it is impossible to si- multaneously see visually a structure and image it with the ultrasound device.

L e n g t h . The endoscope should be of reasonable length (ira).

B i o p s y c h a n n e l . Ideally, biopsy capability should be available so that when a lesion is en- countered, cytologic and biopsy examinations can be obtained during the examination.

N o n - e n d o s c o p i c placement. Is an endoscope required for all internal gastrointestinal applications ? Could an ultrasound device be developed which could be passed blindly ?

The u l t r a s o u n d s y s t e m . Ultrasound systems ,, image ~ a plane or slice of the body. The image corresponds to changes in refraction properties, or to scattering sites within the body. The bright- ness of the image corresponds to the strength, or ,~ t, mplitude ,~, of the ultrasonic echo for each region in the field.

Ultrasonic systems operate by transmitting a short burst of ultrasonic energy, typically 2 MHz to 10 MHz in frequency, and of burst lengths typically about I microsecond in duration.

The system then receives the resulting echo until the burst decays. The transducer is then redi- rected at another portion of the body, and the sequence repeated. This process is repeated until the entire field is interogated, thereby forming one frame of information. The entire process is repeated typically 5 to 30 times per second. Such rates are high enough to resolve most motion in the body, and to keep up with operator movement of the transducer.

The endoscopic application of ultrasound invol- ves different tradeoffs in system performance than does c o n v e n t i o n a l ultrasound. System performance can be discussed in terms of the major de- terminants of image quality.

P e n e t r a t i o n . The maximum penetration of an ultrasound system depends upon the frequency of ultrasound used, among other factors. For typical systems, the relationship is :

Penetration t c m ) - 50

f(MHz)

Gastrointestinal applications typically require less deep penetration than does the corresponding skin surface procedure. In most cases, 5 to 7 cm is all that is required, hence f r e q u e n c i e s of 10 MHz can be used. The use of high frequencies allows improvement in spatial resolution, as be- low.

S p a t i a l resolution. The ability to resolve targets, such as anatomical features, or pins in a test object, is termed ,, spatial resolution ~, and de-

2 Volume 13 - N" I - 1983 Acta Endoscopica

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pends upon the frequency of the ultrasonic energy :

3 c spatial r e s o l u t i o n - (*)

f

For example, 5 MHz provide spatial resolution of about I mm. Use of higher frequencies, practi- cal where maximum penetration needs are limited, allows a corresponding improvement in available spatial resolution. Depth o f field is a compa- nion parameter, and is the distance over which the transducer is in focus. This parameter also changes with increasing frequency. An example of the tradeoff between penetration and spatial resolution is that for 10 MHz the penetration is ap- p r o x i m a t e l y 5 cm with a spatial resolution of 0.5 mm whereas at 5 MHz, the penetration is ap- proximately 10 cm but the spatial resolution is

I mm.

It should be noted that the actual resolution available in anatomical use depends as well on the nature of the organs intervening between the transducer and the region of interest. Refraction and path length variation effects occur in the typically inhomogenous body tissues. These effects obscure the image that might be obtained by pla- cing the transducer in more direct contact with the region of interest.

Thus, for abdominal applications, ultrasonic endoscopy has two related advantages in image quality over equivalent transcutaneous viewing : better spatial resolution through use of higher frequency and possible reduction in the obscuring effects of intervening tissue and intestinal gas.

Image format. The size and the shape of the ultrasound field is important and ideally may be different for various applications. Depending on the target organ, the anterior or near field (adjacent to the endoscope) may be most important.

An example is looking at intestinal wall mucosal lesions. In other instances, the posterior or fat field (distant from the transducer) maybe of grea- ter importance, for example when the endoscopist is looking through the intestinal wall at an area of the pancreas. In general, there are two shapes for the ultrasound f i e l d : rectangular or rectilinear shape and a sector or pie shape. With a sector format the area next to the transducer or anterior field is at the narrow apex of the pie shape and may, therefore, be difficult to see. Therefore, when examining the anterior or near field, the rectalinear shape is preferable because it gives the widest field of view of structures close to the transducer. The opposite is true of the far field.

The pie shaped or sector image is wider as you move away from the transducer whereas the rectilinear stays the same width. Therefore, when examining structures in the far field or posterior

(*) Where :

c = speed of sound (1 540 m/sec), f = frequency of ultrasound waves.

field, the sector type shape is somewhat better because the area examined is larger and orientation is easier.

Temporal resolution. The ability to resolve motion depends on the rate at which the field can be sampled, which in turn depends on the format of the image (depth, n u m b e r of zones), and the speed of sound. Generally, frame rates of 15 per second provide excellent motion resolution in all but the fastest moving cases (such as heart valves), in which 30 frames per second is typically used.

Tranducer type. The ultrasound transducers which are being evaluated for use with fiberoptic endoscopes are of three types. These include mechanical sector scanners, electronic sector scanners and electronic linear arrays.

The mechanical sector. This scanner actually m o v e s the t r a n s d u c e r , utilizing a rotating or rocking mechanical movement. To rotate the mechanical sector scanner, a motor and rotating cable is required. In endoscopes, the sector is rotated by either turning the transducer or .by turning an acoustical mirror in the endoscope tip [1].

J J

j S o u n d beam

~ r

Rotating or

o s c i l l a t i n g w h e e l

\

Figure 1

Mechanical sector scanner

The transducer element is mounted on a small wheel and is rotated or oscillated past a window in a fluid filled housing, The size of the window is arbitrary and 360 ~ imaging is possible. A similar scan format can also be implemented with a fixed transducer and a rotating

or oscillating acoustic mirror to steer the sound beam

Electronic sector. It is possible to make a transducer which has a series of individual trans- d u c e r s which can be activated independently.

With this type of device, it is possible to activate the e l e m e n t s in s e q u e n c e with a slight delay between each activation. This delay causes the beam emanating from the tansducer to move off center. When the delay sequence to each element

A c t a E n d o s c o p i c a V o l u m e 13 - N" l - 1983 3

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Pulses for excitement of array elements

i in

i I"1

,, n

I

"--~'1

n n

n

Time delay determines steering

Array length 1-2 cm

J D i r e c t i o n

[ ~ ~ of

p r o p a g a t i o n l ~

P J ~ J / / 1 \ Plane wave ,-.*- ~ J / / \ formed by

'l I ~ / / ~ ~summati~

/~lndividual element

produces circular wave Figure 2

E l e c t r o n i c s e c t o r s c a n n e r

The transducer is composed of small rectangular elements which can be individually controlled. By delaying the electrical impulses used to drive each element, a wave front can be created which leaves the array at an oblique angle. By varying the individual element delays on successive pulses, the ultrasound beam can be

steered across a sector shaped area

is changedl the beam can be moved in space, thereby creating the same type of sector seen with a mechanical scanner, e x c e p t without any mechani- cally moving parts. This type of scanner is called a p h a s e d a r r a y . T y p i c a l l y , for a phased a r r a y , 32 individual elements are used [2].

The linear array. This device uses a series of individual t r a n s d u c e r elements that are arranged in a row. E l e c t r o n i c timing is used to fire o f f t h e s e i n d i v i d u a l e l e m e n t s in a linear s e q u e n c e which directly penetrate the tissue, giving rise to

Linear array of transducer elements (length 4-8 cm)

\

Direction of scan

Beam formed by

I

_i

excitation of local I group of elements

I

Figure 3

L i n e a r a r r a y s c a n n e r

Many elements (64 or more) arranged in a long, linear array, make up this transducer. A small local group of elements is pulsed to form an ultrasound beam perpendicular to the face of the transducer.

The local group is then moved by one element at a time along the array with successive pulses to sweep the beam along the width of

the transducer

a r e c t a l i n e a r type format. This, like the phased a r r a y , is e l e c t r o n i c scanning which does not in- v o l v e moving parts. Typically 32 to 64 or more individual elements are used [3].

We will now discuss each of these types of arrays with some c o m m e n t s regarding applicability to an e n d o s c o p i c ultrasound device.

M e c h a n i c a l s e c t o r scanner. These scanners can be b u i l t up to r e l a t i v e l y high f r e q u e n c i e s o f 7 M H z and above. Only two wires are needed to a c t i v a t e the t r a n s d u c e r . T h e a d v a n t a g e o f this type o f device is that it can put out a wide mechanical sector scan which could, in theory, en- c o m p a s s 180" or 360" around the e n d o s c o p e tip.

The penetration o f this type of device is depen- dent on the f r e q u e n c y , but should be adequate for ultrasound e n d o s c o p y . The resulting field is wide, especially in the far field, away from the transducer.

Figure 4

A mechanical sector scanner is seen in the tip of an ultrasound endoscope. A sector shaped acoustical field is demonstrated on the

end-view. The fiberoptic endoscope is side-viewing

T h e d i s a d v a n t a g e s o f the m e c h a n i c a l s e c t o r s c a n n e r are that a m o t o r and cable are required to rotate the element. In the endoscopes reported, a m o t o r adjacent to the control handle is used to rotate a cable which passes down the endoscope and is c o n n e c t e d to the transducer in the tip [I].

Rotation o f the transducer in the tip precludes the v i s u a l a n d l i g h t f i b e r b u n d l e s f r o m p a s s i n g t h r o u g h this area and, t h e r e f o r e , the e n d o s c o p i c s y s t e m has to end proximal to the tip. Therefore, these are side or oblique-viewing endoscopes. The rigid tip is on the o r d e r o f 3-4 cm.

As with o t h e r sector scanners, this type of device has difficulty in the anterior field where the t a r g e t is close to the t r a n s d u c e r . H o w e v e r , the p o s t e r i o r field is wide and useful for imaging ob- j e c t s in the far field. A fluid filled balloon can be placed around the tip of the transducer to offset the t r a n s d u c e r from the mucosal target, t h e r e b y r e d u c i n g the a n t e r i o r field problem and allowing a d e q u a t e r e s o l u t i o n o f targets in the near field (i.e. mucosa).

4 V o l u m e 13 - N ~ I - 1983 A c t a E n d o s c o p i c a

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Figure 5

Electronic sector endoscope

The transducer is seen mounted on tip of the endoscope. The sector shaped field of view is demonstrated. The fiberoptic endoscope

is end-viewing

Side view

Acoustic field

field

End view

Figure 6

A linear array is mounted on the tip of a fiberoptic endoscope The acoustical field of view is parallel to the direction of the endoscope, The endoscope has an end viewing visual field

Electronic sector scanner. The electronic sector scanner, or phased array, can also be built onto the tip o f an e n d o s c o p e . This device can electro- nically direct a sector into the tissue adjacent to the a r r a y on the [4] e n d o s c o p e .

The f r e q u e n c y o f phased arrays is limited at the c u r r e n t time by t r a n s d u c e r t e c h n o l o g y , existing s y s t e m s function in the range of 3-5 MHz. Elec- tronic focusing methods are used which compen- sate for this lower f r e q u e n c y (compared to mechanical s e c t o r s c a n n e r and linear array) to pro- d u c e excellent resolution. The advantages o f this d e v i c e a r e t h a t it c a n be m a d e f a i r l y s m a l l ( I x I cm) and has no moving parts.

T h e disadvantages of this technique are that it r e q u i r e s s e p a r a t e wires for each individual element. In a 32 array transducer, 32 wires must be built into a bundle inside the endoscope. As with the mechanical sector scanner, the anterior field is a problem because it is narrow at the tip of the a p e x a d j a c e n t to the t r a n s d u c e r . The p o s t e r i o r field is wide and provides excellent viewing characteristics for d e e p e r structures. The sector angle with this device is generally limited to 90", whereas the mechanical sector scanner can potentially image 360".

The linear array. The linear array can be minia-

turized in t e r m s o f width and thickness. Howe- v e r , limiting the length has the e f f e c t o f nar- r o w i n g the visual field. T h e r e f o r e , these linear a r r a y s are typically 3.5 to 4 cm in length. These a r r a y s can be built onto the tip of a flexible fiber optic e n d o s c o p e [5].

T h e s e c t o r from the linear array is rectilinear.

This rectilinear configuration has excellent anterior fields c h a r a c t e r i s t i c s and targets 1 or 2 mm from the surface o f the transducer can be visuali- zed with high resolution. The posterior fields is narrow when c o m p a r e d to a mechanical or electronic sector scanner and, therefore, imaging and o r i e n t a t i o n o f s t r u c t u r e s t h r o u g h the intestinal wall may be more o f a problem. The frequency of the linear a r r a y can be as high as 10 MHz and when c o m b i n e d with electronic focusing, the resolution is excellent (less than 1 mm). The advantages o f this technique are that it can be built onto an e n d o s c o p e with e n d - v i e w i n g fiberoptics and that structures in the anterior field are well seen.

T h e d i s a d v a n t a g e s of the linear array are the fact that along the length of the array, it is not flexible, that there are typically 64 elements and, t h e r e f o r e , 64 wires which must be built into the e n d o s c o p e and that the posterior field is narrow and may be somewhat difficult to orient.

REFERENCES

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2. SOMER J.D. - - Electronic sector scanning for ultrasonic diagnosis. Ultrasonics, 1968, 6, 153.

3. DI MAGNO E.P., REGAN P.T.. CLAIN J.E., JAMES E.M., BUSTON J.L. - - Human endoscopic ultrasonogra- phy. Gastroenterology, 1982, 83, 8249-82??.

4. S O U Q U E T J., HANRATH P., ZITELLI L., KREMER P., LANGENSTEIN B.A., SCHULTER M. - - , Transe- sophageal phased array for imaging the heart ,,. I.E.E.E.

Transactions on Biomed. Eng.. oct. 1982, vol. BME-29, No. 10,707-712.

5. DI MAGNO E.P., S I L V E R S T E I N F., G I U L I A N I D., FRANKLIN D., OHMORI S. - - An improved ultrasonic endoscope : preliminary canine experiments (abstr.). Gas- trointest. Endosc., 1982, 28, 129-130.

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INTRODUCTION

La fibroscopie est une technique largement uti- lisde pour le diagnostic des maladies du tube di- g e s t i f et dispose actuellement d'endoscopes de longueur et de calibre varies. Dans presque tous les cas, l'~esophage, l'estomac, le duodenum et le colon p e u v e n t ~tre examines dans leur totalitY.

L'endoscopiste est en mesure de visualiser la sur- f a c e muqueuse ainsi que ses l~sions mais il est habituellement incapable d'~valuer les structures pari~tales sous-muqueuses. Les techniques endo- scopiques courantes peuvent donner une impres- sion de rigidit~ ou de masse extrinskque mais ne peuvent fournir d'informations prdcises.

Le diagnostic m~dical par dchographie est un domaine ~voluant rapidement. Les transducteurs de haute fr~quence et de grande r~solution peu- vent ~tre miniaturisds et ins~r~s dans un endo- scope flexible. L'avantage de combiner un endo- scope et un apparail gt ultrasons r~side dans l'as- sociation de la vision endoscopique de la surface m u q u e u s e et de l'examen des structures sous- muqueuses y compris les organes adjacents. Le but de cet article est de faire le point de l'dtat actuel de l'dchographie interne et de ses orienta- tions possibles dans un proche avenir.

L'~chographie endoscopique ne sera une tech- nique viable qu'~ la condition de fournir une information suppl~mentaire, b~n~fique pour le pa- tient et non disponible par les techniques diag- nostiques et plusieurs probl~mes m~dicaux ma- jeurs comme le cancer ~esophagien et le cancer du pancreas n'ont pas, grOce fi ces m~thodes nouvelles, connu d'am~lioration des taux de mor- talit~ ou de morbiditY. Le role de l'~chographie endoscopique sera clarifi~ lorsque nous saurons si oui ou non cette technique fournit des informa- tions susceptibles d'augmenter la survie et dimi- nuer la morbiditY.

Nous en sommes encore, en mddecine clinique, au d~but de l'dvolution de cette nouvelle appro- che diagnostique. Comme pour toute nouvelle technique, de nombreuses questions se posent, en particulier quant aux indications cliniques et

l'utilit~ de la m~thode.

Nous allons passer en revue quelques aspects techniques et revoir ensuite l'~tat actuel des ap- plications cliniques.

L'endoscope. Les systOmes dchographiques ont

~t~ incorpor~s dans plusieurs types de fibrosco- pes. Voici quelques caract~ristiques concernant la

configuration endoscopique optimale.

Le diambtre de l'instrument. Les instruments de 8 fi 9 mm sont mieux tol~r~s par les patients que les endoscopes de 12 gt 13 mm de diam~tre.

Forme de l'extr~mit~ de l'endoscope. Celle-ci est importante pour la facilit~ de l'introduction.

Une extr~mit~ mousse doit ~tre pr~f~r~e h l'extr~- mit~ fi capuchon ou fi bord tranchant.

ROtroflexion. La possibilit~ de r~trofl~chir l'en- doscope est importante parce qu'elle permet h l'endoscopiste de visualiser le cardia et le fundus gastrique.

Orientation de l'image. Les endoscopes ?1 vision axiale ou ?t vision lat~rale ont ~t~ utilis~s en endoscopie ~chographique. Les axioscopes sont plus familiers et plus faciles ~ introduire dans le duodenum. Cependant, avec une experience rai- sonnable, l'introduction d'un instrument ?t vision lat~rale dans le duodenum, ne pose pas de pro- blame. En th~orie, un avantage de la vision lat~- rale est de visualiser exactement la structure exa- minee aux ultrasons. Toutefois, pour qu'un exa- men ~chographique soit r~ussi, il faut dliminer l'air situ~ autour du bout de l'endoscope afin d'assurer un contact optimal entre le transducteur et la muqueuse. La visualisation simultan~e d'une structure et de l'image r~alis~e en ~chographie est donc impossible.

Longueur. L'endoscope doit avoir une Iongueur raisonnable (1 m).

Canal a biopsie.lddalement, la r~alisation de biopsies-cytologie en cours d'examen doit rester possible.

Introduction non-endoscopique. Un endoscope est-il n~cessaire pour toutes les applications gastro-intestinales ? Un instrument ~chographique pourrait-il ~tre d~velopp~, permettant une intro- duction ~ l'aveugle ?

Le syst~me echographique. Les syst~mes ultra- sonographiques r~alisent une image d'un plan ou d'une tranche corporelle. L'image correspond h des changements dans les propri~tds r~fractives ou gt des sites de diffusion fi l'int~rieur du corps.

La brillance de l'image correspond fi la force ou

~, l'amplitude ,, de l'~cho ultrasonique pour cha- que r~gion examinee.

En gdndral, les syst~mes dchographiques fonc- tionnent en ~mettant de courtes d~charges d'~ner- gie ultrasonique de 2 fi 10 MHz de fr~quence p e n d a n t une microseconde. Le syst~me re#oit alors l'~cho en retour jusqu'fi ce que la d~charge s'interrompe. Le transducteur est ensuite dirig~

vers une autre portion du corps et la s~quence est r~pdt~e jusqu'fi ce que le champ entier soit in- terrog~, formant ainsi une image d'information.

Le processus entier est r~p~td de 5 fi 30 fois par seconde. Ces vitesses sont suffisantes pour annu- ler la plupart des mouvements dans le corps et permettent de suivre le mouvement de I'opdrateur au niveau du transducteur.

L'application endoscopique des ultrasons compor- te des aspects diffdrents en termes de performan- ces du systOme par rapport gt l'examen conven- tionnel. Ces performances peuvent ~tre discut~es en tant que d~terminants majeurs d'une image de qualit~ :

POnOtration. La p~n~tration maximale d'un sys- t~me ultrasonique d~pend, entre autres facteurs,

6 Volume 13 - N" 1 - 1983 Acta Endoscopica

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de la fr~quence d'ultrason utilis~e. Pour les systE- mes c l a s s i q u e s , la relation est de :

Pdndtration (cm) - 50

f (MHz)

Les applications gastrointestinales n~cessitent une p~n~tration moins profonde que le proc~d~

u t i l i s ~ au niveau cutand. Dans la plupart des cas, 5 a 7 cm sont suffisants, en utilisant des fr~quences de !0 MHz. L'emploi de hautes fr~- quences permet une amelioration de la r~solution spatiale.

Rdsolution spatiale : La possibilit~ de ddtailler des cibles c o m m e les structures anatomiques ou des aiguilles dans un objet test, est appel~e ,, r~- solution spatiale ,, et ddpend de la frdquence de I'~nergie ldtrasonique :

3c (*) R~;solution spatiale -

f

Par exemple, 5 M H z permettent une resolution spatiale d'environ I mm. L'usage de fr~quences plus ~lev~es, utilisables quand la p~ndtration maximale est limit~e, permet tote amelioration de la rdsolution spatiale. La profondeur de champ est un paramktre voisin ; c'est la distance t't la- quelle le transducteur est en foyer. Ce paramktre change dgalement avec I'augmentation de la frd- quence. Un exemple de la relation entre pdndtra- lion et rdsohttion spatiale est cehd-ci : pour I0 MHz, la pdndtration est environ 5 cm avec une rdsolu- lion spatiale de 0,5 ram, landis qlt't't 5 MHz, la p~ndtration est d'environ I0 cm mais la rdsolution spatiale est de I ram.

II f a u t noter que la rdsolution effective disponi- ble pour un usage anatomique ddpend aussi de la nature des organes interpos~;s entre le trans- ducteur et la rdgion ~'~ observer. La rdJ'raction et des variations de distance parcourue s,rvien- nent au niveau de s t r , ctures corporelles typique- ment non-homog~nes. Ces effets obscurcissent I'image qui pourrait dtre obtenue en plat'ant le transducteur directement en contact avec ta reSgion intdressde.

Ainsi, dans les applications abdominales, l'r graphie endoscopique prr deux avantages sur le plan qualitd de I'image par rapport t'l son dquivalent transcutand. La rdsohttion spatiale est meilleure grdce fi I'usage de frdquences plus ~le- vdes et les artdJhcts lids t'~ I'interposition des t i s s u s et des gaz intestinaux peuvent ~tre rdduits.

Format de l'image : La taille et la forme dlt champ dchographique sont importantes et iddale- ment doivent pouvoir varier selon les applications.

Suivant la nature de I'organe cible, le champ antdrieur oil proche (adjacent t't I'endoscope) peut

~tre le plus important, par exemple la eisualisa-

(*) Dans laquelle :

c = vitesse du son (1 540 re~see), f = frdquence des ondes ultrasoniques.

lion de ldsions pari~tales de l'intestin. Dans d'au- tres cas, le champ post~rieur ou ~loignd (distant du transducteur) peut retenir plus l'attention, par exemple lorsqu'gJ travers la paroi intestinale, l'en- doscopiste explore l'aire pancr~atique. En g~n~ral, on considEre deux f o r m e s de champs ~chographi- ques : rectangulaire (rectiligne) ou sectoriel (en ,, quartier de tarte ,,). Avec un format sectoriel, l'aire proche du transducteur ou champ ant~rieur se situe au s o m m e t de l'angle form~ par la zone en ~, quartier de tarte ~ et peut par consdquent

~tre di~ficilement explorable. Ainsi, pour examiner le champ ant~rieur proche, la forme rectilin~aire est prdf~rable parce qu'elle fournit une rue plus large des structures proches du transducteur. L'in- verse est vrai pour un champ ~loign~. L'image sectorielle est plus large quand on s'dloigne du transducteur alors que le champ rectilin~aire garde la tn~me largeur. D'oh, pour l'examen de struc- tures dans le champ dloignd ou post~rieur, la for- me sectorielle est relativement mieux adapt~e puisque la zone examinee est plus grande et I'orientation plus aisle.

Rdsolution temporelle : La possibilit~ de r~sou- dre le m o u v e m e n t d~pend de la vitesse du son a i n s i que de la vitesse t'l laquelle le champ peut

~tre ~chantillonn~, facteur qui h son tour d~pend du f o r m a t de I'image (profondeur, nombre de zones). En gdndral, des vitesses de 15 par seconde p e r m e t t e n t dans tous tes cas une excellente r~so- lution du mouvement s a u l les plus rapides (comme celui des valves cardiaques), pour lesquelles la vitesse de 30 images par seconde est en gfn~ral utilis~e.

Ty pes de transducteurs : Les transducteurs dcho- graphiques utilis~s en fibroscopie sont de trois types : sectoriel m~canique, sectoriel ~lectronique, lim;aire.

Dans le premier type, le transducteur est mobi- lis~ par un mottvement rotatoire ou de balancier m~canique. A cet effet, un moteur et un c~ble rotatif sont n~cessaires. Dans les endoscopes, cette rotation est obtenue en tournant soil le transducleur, soil un miroir acoustique au sommet du fibroscope [1] (fig,. I).

Le sectoriel 61ectronique : I1 est possible de r~aliser lilt transducteur formd d'une sdrie de trans- dltcteltrs individuels d'activation inddpendante.

Par ce proc~d~, on peut activer les ~l~ments en s~quence avec un l{ger d~calage entre chaque activation. Ce retard provoque un excentrement du rayon dmanant du transducteur. Quand la s~quence de d~lai pour chaque ~ldment est chan- g~e, le rayon peut ~tre mobilis~ dans l'espace, cr(ant ainsi le m~me t.vpe de secteur qu'avec un scanner m~;canique, sans n~cessiter de piOces m~- caniques. Ce type de scanner est appel~ ,, Phased array ,. Classiquement, pour un , phased array ,., 32 ~l~ments individuels sont utilis~s [2].

L e transducteur lindaire : Ce proc~d~ utilise une s~rie d'~l~ments transducteurs individuels qui sont dispost;s en ligne. Un timing ~lectronique est uti-

Acta Endoscopica Volume 13 - N ~' I - 1983 7

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/ /

Faisceau sonore

B a l a n c i e r rotatoire ou o s c i l l a n t

\

Figure 1

Transducteur sectorlel m(~canique

L'element transduceur est monte sur une petite poulie et tourne ou oscille au-del.~ d'une fen~tre dans une gaine remplie de liquide. Les dimensions de la fen~tre ne sont pas fix(~es et une vision de 360 ~ est possible. Un transducteur de m~me format peut egalement ~tre execute au moyen d'un scan fixe equip~ d'un miroir acoustique,

rotatoire ou oscillant, destine & diriger le faisceau d'ultrasons

I m p u l s i o n s d ' e x c i t a t i o n

des rangs d ' e l e m e n t s

"n

"--~"1

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I

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Intervalle ~-..- de t e m p s d ~ t e r m i n a n t la d e t e c t i o n

L o n g u e u r des rangs 1-2 cm

~ . \ Sens de la

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^{/ / ) \} O n d e plane

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f o r m e e par

~////~

~ s o m m a t i o n E l e m e n t s indivicluels p r o d u i s a n t

I ' o n d e circulaire Figure 2

Transducteur sectoriel (Hectronique

Le transducteur est compos~ de petits elements rectangulaires contrSlables individuellement. Des impulsions electriques differees sont utilisees pour mobiliser chaque element; une onde frontale peut ~tre obtenue qui quitte le rang sous un angle oblique. En faisant varier les retards des elements individuels au cours d'impulsions successives, le faisceau d'ultrasons peut ~tre dirige a travers une

zone sectorielle figuree

lis~ pour d~clencher ces ~l~ments individuels en s~quence lin~aire p~n~trant directement le tissu et donnant un format rectilin~aire. Ceci, comme le sectoriel ~lectronique, est un scanning ~lectroni- que ne comportant pas de parties mobiles. 32 64 ~l~ments individuels ou plus sont utilis~s [3].

Nous allons maintenant discuter chacun de ces dispositifs en discutant leur applicabilit# endosco- pique.

Rangs lineaires

d ' e l e m e n t s t r a n s d u c t e u r s ( I o n g u e u r 4-8 cm)

Direction du scan

Faisceau constitue par I'excitation de groupes Iocaux

d'elements

Figure 3 Transducteur Iineaire

Plusieurs elements (64 ou plus) disposes en Iongueur, en rang lineaire, constituent ce transducteur. Un petit foyer d'elements Ioca- lises re(~oit une impulsion de maniere a former un faisceau d'ultrasons perpendiculaire a la surface du transducteur. Ce groupe Ioca- lise est ensure mobilis(~ par un element a la fois le long d'un rang, par impulsions suecessives, de maniere a faire balayer le faisceau

dans le sens de la largeur du tranducteur

Sectoriei m6canique : Ces scanners sont construits pour des fr~quences relativement hautes, de 7 MHz et plus. Seuls deux ills sont n~cessaires pour activer le transducteur. L'avantage de ce type de proc~d~ est qu'il possOde un scan sectoriel m~ca- nique large qui en th~orie peut couvrir 180 ~ ou 360 ~ au niveau du sommet de l'endoscope. Le pouvoir de p~n~tration de cet instrument d~pend de la fr~quence mais devrait consentir h I'endo- scopie ~chographique. Le champ obtenu est large, particulikrement le champ ~loign~ du transducteur.

Figure 4

Aspect d'un transducteur sectoriel mecanique a I'extremite d'un endoscope ~l ultrasons. Representation d'un champ acoustique

I'extremite distale. L'endoscope est a vision laterale

8 V o l u m e 13 - N " 1 - 1983 A c t a E n d o s c o p i c a

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Figure 5

Transducteur sectoriel ~lectronique

Le transducteur est monte a I'extremite de I'endoscope. Mise en evidence du champ visuel sectoriel. Fibroscope a vision axiale

Les inconvdnients du scanner it secteur mdcani- que rgsident dans la ndcessitd d'un moteur et d'un cdble, destinds d la rotation de l'dldment.

Dans les endoscopes, un moteur situd au niveau de la partie proximale de l'appareil est utilisd afin de mobiliser le chble traversant le tube et connectd au transducteur it l'extrdmitd distale [1].

La rotation du transducteur it l'extrdmitd g~ne le passage des fibres optiques it ce niveau et dPs Iors, le systkme optique doit se terminer en amont, ll ne peut s'agir par consdquent, que d'en- doscopes it vision latdrale ou oblique. La pattie rigide de la t~te mesure de 3 it 4 cm.

Comme d'autres scanners sectoriels, cet instru- ment pose des probl~rnes au niveau du champ ant~rieur quand la cible est proche du transduc- teur. Cependant, le champ post~rieur est large et permet la visualisation d'objets dans un champ

~loign~. Un ballon rempli de liquide peut ~tre plac~ autour du sommet de l'endoscope pour sJpa- rer le transducteur de la cible muqueuse et rJ- duire ainsi le probl~me du champ ant~rieur et permettre une r~solution adequate de champ proxi- mal (par exemple la muqueuse).

L e s e c t o r i e l 61ectronique ou ,, p h a s e d a r r a y >>

peut ~galement ~tre incorpor~; dans la t~te de Fen- doscope et diriger ~lectroniquement un secteur dans le tissu adjacent au fibroscope [4].

La fr~quence des ,, phased array ,~ est actuel- lement limit~e par la technologie des transduc- teurs, les systkmes existant fonctionnant au niveau de 3 ?~ 5 MHz. Des m~thodes it foyer ~lectronique sont tttilis~es pour compenser cette basse fr~quen- ce, permettant une r~solution excellente. Les avantages de ce proc~d~ sont : son encombrement r~duit (I • I cm), et l'absence de parties mobiles.

Les inconv~nients de cette technique consistent en la n~cessit~ de ills sdpar~s pour chaque (l~-

ment individuel. Dans un transducteur b 32 dlg- ments, 32 fils doivent ~tre disposals en faisceau

~J l'intdrieur de l'endoscope. Comme dans le scanner sectoriel mdcanique, le champ antdrieur reste un problkme du fait de l'dtroitesse d l'extrd- mitd du secteur adjacente au transducteur. Le champ postgrieur est large et permet une excellente observation des structures plus profondes. L'angle sectoriel de cet instrument est en gdndral limitd t't 90 ~ alors que le scanner it secteur mdcanique peut visualiser 360 ~

L e t r a n s d u c t e u r lin6aire : ll peut ~tre miniaturisd tant en largeur qu'en dpaisseur. Cependant, la limitation de la longueur a pour effet de rdtr~- cir le champ visuel. Ces transducteurs mesurent classiquement de 3,5 it 4 cm de longueur, lls peuvent ~tre construits it la t~te de l'endoscope flexible [5]. Le secteur obtenu est rectilindaire.

Cette configuration rectilindaire offre un champ antdrieur excellent et des cibles situges it 1 ou 2 mm de la surface du transducteur vont ~tre visualisdes avec une haute rdsolution. Le champ postdrieur est dtroit et par consdquent, la visualisation et l'orientation des structures it travers la paroi intes- tinale posent plus de probli'mes. La frdquence peut atteindre I0 MHz et combinde au foyer dlectroni- que, la rdsolution est excellente (moins d'l mm).

Cette technique prdsente l'avantage de pouvoir dtre installde dans un endoscope axial et de procurer une excellente visualisation des structures simdes dans le champ antdrieur.

Les inconvdnients du faisceau lindaire r~sident dans le manque de flexibilitd et la longueur du c6ble qui comporte 64 dldments et donc, 64 fils incorpords dans l'endoscope. Enfin, I'gtroitesse du champ postdrieur entraine des difficultds d'orien- tation.

Champ acoustique

Vision laterale Champ visuel

Vision axiale

Figure 6

Transducteur lin~aire month ~l I'extre~mit(~ d'un fibroscope Le champ acoustique est parallele ~1 I'axe do I'endoscope,

L'endoscope est b vision axiale

A c t a E n d o s c o p i c a V o l u m e 13 - N " 1 - I 9 8 3 9