Terug

Kwaliteitscontrole voor echotransducers
Esther Moorhoff

04 januari 2016

Kwaliteitscontrole voor echotransducers

Publicaties

Voor de stage van de opleiding Gezondheidszorgtechnologie heeft de auteur een stageopdracht uitgevoerd voor het IJsselland Ziekenhuis. Er is in beeld gebracht welke methodes en technieken er op de markt zijn om de kwaliteitscontrole voor de transducers van het echografietoestel uit te voeren en welke het best geschikt is voor het gebruik in een ziekenhuis.

Algemene werking van echografie

Ten behoeve van de uitleg van de algemene werking van de echografie zijn een aantal termen met betekenis weergegeven. Zie tabel 1.

Basisprincipe
Echografie is een beeldvormende techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van ultrageluidspulsen. De ultrageluidspulsen worden opgewekt met piëzo-elektrische elementen in de transducer. Bij grensvlakken of inhomogeniteiten worden een geluidspuls gedeeltelijk gereflecteerd (de echo). De mate van reflectie van een geluidspuls hangt af van het verschil in de akoestische impedanties van de weefsels welke een grensvlak vormen. De geluidspuls komt een aantal grensvlakken tegen waardoor uiteindelijk de totale geluidspuls is gereflecteerd. Deze reflecties worden omgezet met de piëzo-elektrische elementen in elektrische pulsen doordat de elementen in trilling worden gebracht. De CPU in het echografietoestel verwerkt deze pulsen en brengt hieruit een afbeelding voort. (Voor uitleg van de betreffende onderdelen, zie paragraaf bouw transducer) [1-7]

Gebruik van de echo’s
De echo’s kunnen op verschillende manieren worden weergegeven. De weergavetechnieken worden ook wel met ‘mode’ aangegeven. De meest gebruikte modus is B-mode waarmee het bekende echobeeld verkregen kan worden. Met de geluidspulsen in de echografie kunnen ook snelheden worden gemeten op basis van het Dopplerprincipe (ook wel Dopplereffect).[1-7][20]

Tabel 1Termen met betekenis [1], [2], [3]

Transducers van het echografietoestel

Er bestaan veel verschillende soorten transducers, te noemen: array transducers, mechanische sector transducer en de 3D-transducers. Vanwege de afbakening van de stageopdracht, in samenspraak met het IJsselland Ziekenhuis, zijn alleen de volgende array transducers van toepassing voor de onderzochte kwaliteitscontrole:

  • Linear array
  • Curved linear array (convex array)
  • Phased array (sector array)
  • Transrectal array
  • Transvaginal array

Bouw transducers
In figuur 1 is de algemene bouw van een array transducer te zien:

  • Scanoppervlak
    Het scanoppervlak van de transducer is het donkere vlak wat zich bij het scannen op de patiënt bevindt.
  • Backing-materiaal (Backing material)
    In de transducer bevindt zich een blok backing-materiaal. Deze absorbeert de geluidsgolven die niet in de richting van de patiënt gaan, maar in de richting van de transducer. Hierdoor wordt overmatige trilling van het piëzo-elektrische element tegengegaan. Dit verkort de tijdsduur van de uitzending van een geluidspuls.
  • Piëzo-elektrisch element (Piezoelectric element)
    De piëzo-elektrische elementen zetten elektrische spanning om in geluidspulsen en ontvangen geluidspulsen zetten dit om in elektrische spanning. Over de elementen wordt kort een kleine elektrische spanning aangebracht, hierdoor blijven de elementen natrillen en zenden vervolgens korte geluidspulsen uit, het lichaam in. Bij ontvangen geluidspulsen komt het tegenovergestelde proces tot stand.
  • Akoestische lens (Acoustic lens)
    De akoestische lens focust de geluidspulsen en voorkomt hiermee dat de uitgezonden geluidspulsen zich in alle richtingen verspreiden.
  • Aanpassingslaag (Acoustic matching layer)
    De aanpassingslaag verkleint het verschil in akoestische impedantie tussen huid en transducer. Zo worden meer geluidspulsen het lichaam ingezonden.

Voor het scannen op het lichaam wordt tevens de geleidingsgel gebruikt.[1][3][8][9]

Slijtages en defecten
Aan de transducers kunnen zichtbare slijtages en defecten ontstaan en niet zichtbare slijtages en defecten. De niet zichtbare slijtages en defecten betreffen alleen de piëzo-elektrische elementen. Alleen dit laatste wordt behandeld, wederom vanwege de afbakening van de stageopdracht.

Tegenwoordig ontstaan de slijtages en defecten aan de piëzo-elektrische elementen bijna alleen nog door het gebruik van de transducers. Vroeger was er ook door verloop van tijd, met name op de phased array, sprake van achteruitgang in de kwaliteit van de piëzo-elektrische elementen. Dit kwam door het hoge vermogen per element. Tegenwoordig is het vermogen per element gereduceerd door de grotere hoeveelheid elementen en de lagere gebruikte spanning volgens het ALARA (as low as reasonable achievable) principe. Hierdoor is de veroudering door leeftijd niet meer aanwezig op de linear en curved linear array transducers. De phased array transducers kunnen hier, in kleine mate, mogelijk last van hebben. [18][26][27]

Beschadigde of defecte piëzo-elektrische elementen hebben slechte invloed op de beeldkwaliteit. De criteria voor wanneer een transducer moet worden vervangen zijn onder andere beschreven door Acertara Acoustic Laboratories, producent van Aureon. Zij geven een tabel waarin de toegestane hoeveelheid defecte elementen wordt aangegeven.[15][16]

Deze criteria worden niet algemeen toegepast in de praktijk. Ziekenhuizen maken gebruik van protocollen waarin algemeen wordt aangegeven waaraan de echotransducer moet voldoen. In deze protocollen wordt niet ingegaan op de methode voor de kwaliteitscontrole.

Voor de ziekenhuizen kan echter de vraag, hoe nauwkeurig een transducer behoeft te zijn, niet eenduidig worden beantwoord.

Zo worden in sommige gevallen transducers met defecte elementen nog gebruikt. Ten eerste omdat dit een grote kostenbesparing is. Bovendien geven de gebruikers van de transducers zelf aan dat zij nog met de transducer kunnen werken. Wanneer een transducer wordt vervangen hangt hierbij dus af van de beoordeling van de gebruiker. [10][11][12][18][19][26][27]

Figuur 1Componenten van de transducer [9]

Methodes en technieken voor de kwaliteitscontrole van transducers

Voor de kwaliteitscontroles van de transducers bestaan verschillende methodes en technieken. Doel van allen is het in beeld brengen van de status van de transducer, om zo de beeldkwaliteit te kunnen garanderen. Defecten aan de piëzo-elektrische elementen kunnen niet worden gerepareerd, gezien dit teveel kosten met zich mee brengt. De volgende methodes voor de kwaliteitscontrole van de transducers zijn gevonden:

Simpele methodes
Onder de simpele methodes vallen de methodes waarvoor geen gespecialiseerde vaardigheden of apparatuur benodigd is. Onder deze methodes vallen:

  • De paperclip test
    Bij deze methode wordt een smal stukje metaal (vaak een paperclip) langs het scanvlak van de transducer bewogen. Hierdoor worden de piëzo-elektrische elementen in trilling gebracht, waardoor deze als echo’s worden afgebeeld op het beeldscherm. Een defect element zal geen echo produceren en zal dus niet worden weergegeven op het beeldscherm. De onnauwkeurigheid ontstaat doordat de paperclip niet het gehele scanvlak van de transducer beslaat.
  • De in-air revibratie test
    Bij de in-air revibratie test wordt de transducer met een schoon en droog scanvlak in de lucht aangezet. Het scanvlak moet schoon en droog zijn, omdat de test afhangt van het verschil in akoestische impedantie tussen het scanvlak en de lucht. Op het beeld is een in-air revibratie patroon te zien. Aan dit patroon kunnen veranderingen in de kwaliteit van de piëzo-elektrische elementen worden waargenomen. [18][21][22][23][26]

Methode individuele meting piëzo-elementen
Bij deze methode wordt de transducer niet aangesloten op het echografietoestel, maar op testapparatuur middels een probeconnector. Deze testapparatuur meet vervolgens van elk individueel piëzo-elektrisch element de gevoeligheid. Hieruit kan worden afgeleid:

  • Hoeveelheid en locatie van defecte elementen
  • Afname van de gevoeligheid per element

Gebruikte testapparatuur zijn:

  • The FirstCall Test
    Deze test is overgenomen door het bedrijf GE en is hierdoor niet meer op de markt beschikbaar.
  • The ProbeHunter
    Deze test is ontwikkeld door een oude medewerker van voormalig producent van The Firstcall Test. De test compatible met The FirstCall Test. [11][15][16][24][25]

Methode meting akoestische druk
Bij deze methode wordt de transducer aangesloten op het echografietoestel. Er wordt gebruik gemaakt van testapparatuur welke de akoestische druk aan het transduceroppervlak meet. Het hiervoor gebruikte testapparaat is: ‘Aureon’ van Acertara Acoustic Laboratories (opgericht door G. Wayne Moore, uitvinder FirstCall Test).

Methode Color Doppler
Bij deze methode wordt de Color Doppler op maximale grootte gezet, dit houdt in dat de gebruikte bandbreedte en grootte van de colorboxen op maximaal worden gezet. Alle technologische beeldoptimalisatie wordt uitgezet. Vervolgens wordt de gain/versterking opgedraaid tot de elektronische ruis ontstaat. Tijdens het opdraaien wordt er gekeken naar de homogeniteit van het beeld. Dit zegt iets over de gevoeligheid per element ten opzichte van elkaar. [28]

Methode scannen op het eigen lichaam
Bij deze methode wordt door de technici gescand op het eigen lichaam. Vaak wordt hiervoor de lever gebruikt. Er wordt gekeken hoe de beeldkwaliteit is indien een lichaam wordt gescand.[26-28]

Methode externe partij
Ziekenhuizen kunnen er ook voor kiezen om de kwaliteitscontrole van de echotransducers niet zelf te doen, maar te laten doen door een externe partij. Deze partijen maken dan vaak gebruik van de paperclip test, in-air revibratie test en de methode met fantomen. [27][29]

Figuur 2Schematisch weergave van de meetopstelling ‘Aureon’van Acertara Acoustic Laboratories [10-12][19]

Voor- en nadelen

De voor- en nadelen van de bovengenoemde methodes worden ten behoeve van de overzichtelijkheid weergegeven in een tabel. Hierbij worden ook de kosten van de gebruikte methodes genoemd.

 Methode  VoordelenNadelenPrijs

Simpele methode (papercliptest)

Objectief: van elk element wordt apart gemeten of deze defect is of niet, geschikt voor elk merk transducer.

Niet erg nauwkeurig, niet geschikt voor de phased array transducer, de gevoeligheid per element wordt niet gemeten.

0

Simpele methode

(in-air revibratie)

Objectief: aan dit het in-air revibratie patroon kunnen veranderingen in de kwaliteit van de piëzo-elektrische elementen worden waargenomen,   geschikt voor elk type transducer, geschikt voor elk merk transducer.

Niet erg nauwkeurig, de gevoeligheid per element wordt niet gemeten.

0

Methode met fantomen

Geschikt voor elk merk transducer, de relatieve kwaliteit van de transducer kan worden beoordeeld.

Zeer subjectief, afhankelijk van: kwaliteit van het gebruikte fantoom, ervaring medewerker en eventueel gebruikte software. Hierdoor slecht reproduceerbaar en meting van de absolutie kwaliteit onmogelijk. Voor meting aan ieder type transducer zijn twee fantomen nodig.

 

*ATS549:

*ATS540:

*Cirs040gse: €692

*Gammex RMI: €1521,67 + kalibratie kosten

 

 

Methode individuele meting piëzo-elementen (The FirstCall Test)

Objectief: van elk element wordt apart de gevoeligheid gemeten. Nauwkeurig

Niet geschikt voor elk merk transducer: voor verschillende merken zijn verschillende probeconnectors nodig, overname door GE. Niet efficiënt is voor in een ziekenhuis: te duur en te specifiek.

Gehele systeem: €24.490,00 +aanschaf van probeconnectors per merk

Methode individuele meting piëzo-elementen (The ProbeHunter)

Objectief: van elk element wordt apart de gevoeligheid gemeten. Vrij verkrijgbaar, nauwkeurig

Niet geschikt voor elk merk transducer: voor verschillende merken zijn verschillende probeconnectors nodig. Duur in aanschaf. Niet efficiënt is voor in een ziekenhuis: te duur en te specifiek.

€60.000-70.000 inclusief alle benodigde probeconnectors

Methode meting akoestische druk (Aureon)

Objectief: van elk element wordt apart de gevoeligheid gemeten. Vrij verkrijgbaar, nauwkeurig, voor elk merk transducer geschikt.

Niet efficiënt is voor in een ziekenhuis: te duur en te specifiek.

€50.449,47

Methode Color Doppler

Objectief: de gevoeligheid per element ten opzichte van elkaar wordt beoordeelt. Geschikt voor elk type transducer, geschikt voor elk merk transducer.  

 

Niet erg nauwkeurig, de gevoeligheid per element wordt niet gemeten.

0

Methode scannen op het eigen lichaam

Geschikt voor elk type transducer, geschikt voor elk merk transducer.  

Subjectief: interpretatie van medewerker hoe de beeldkwaliteit is indien een lichaam wordt gescand.

0

Methode externe partij

Tijdbesparend voor medewerkers van de afdeling Medische Techniek, geschikt voor elk type transducer, geschikt voor elk merk transducer, medewerker externe partij heeft meer ervaring.  

 

Gebruikte methode door de externe partij is: papercliptest, in-air revibratie test en methode met fantomen. Nadelen van de methode kan enigszins worden opgeheven door de ervaring van de medewerker van de externe partij

Afhankelijk van hoeveelheid toestellen en externe partij.

Conclusie

De volgende methodes worden vaak tezamen gebruikt in ziekenhuizen:

  • de papercliptest
  • de in-air revibratie test
  • de methode Color Doppler
  • de methode scannen op het eigen lichaam

Deze methodes worden tezamen genomen onder: methode zonder kosten en wordt het meest toegepast in ziekenhuizen. De methode met fantomen wordt in mindere mate toegepast in ziekenhuizen. Er zijn veel variabelen waardoor de methode zeer subjectief is. Vaak wordt de methode met fantomen toegepast door externe partijen. Deze wordt altijd gecombineerd met de methode zonder kosten. De nauwkeurigste methodes kunnen de gevoeligheid met element meten, dit zijn: The FirstCall Test, The ProbeHunter en Aureon. De kosten zijn echter hoog en hierdoor een groot nadeel.

Discussie

Wat men zich wel kan afvragen is in welke mate de Aureon nodig is voor het gebruik van de transducers in een ziekenhuis. Dit gezien de vraag hoe nauwkeurig een transducer behoeft te zijn, lastig te beantwoorden is. In de praktijk worden transducers met defecte elementen nog wel worden gebruikt. De gebruiker geeft aan nog met deze transducers te kunnen werken en bovendien is het kostenbesparend. De vraag is of dit gebruik gerechtvaardigd kan worden doordat de gebruiker zegt nog met de transducers te kunnen werken. Het kostenbesparende aspect zal zeker ook meewegen in de beoordeling hiervan, vanwege de beperkte financiële middelen van het ziekenhuis.

Deze beperkte financiële zijn voortgekomen uit de privatisering van de zorg en de bezuinigingen van het kabinet op de gezondheidszorg. Hierdoor hebben ziekenhuizen gemiddeld minder te besteden. Door de privatisering in de zorg is er tevens een concurrentie tussen ziekenhuizen ontstaan, waardoor samenwerking bemoeilijkt wordt.

Niet alleen concurrentie tussen ziekenhuizen ontstaat, ook concurrentie tussen producenten en leveranciers van medische apparatuur wordt versterkt. Kennis wordt niet gedeeld, verbeterde en goedkopere testapparatuur kan hierdoor uitblijven.

Als oplossing voor een onnauwkeurigheid van de papercliptest kan eventueel een metalen onderdeel gefabriceerd worden dat aansluit op de breedte van het scanvlak. Voor de in-air revibratie test zouden de gemaakte afbeeldingen over elkaar kunnen worden gelegd ter vergelijking.

Wanneer men niet zou kijken naar kosten zou de Aureon worden aanbevolen gezien deze nauwkeurig en objectief is en hiervoor geen verschillende probeconnectors nodig zijn.

Als oplossing voor de hoge kosten van Aureon zouden meerdere ziekenhuizen één apparaat kunnen delen. Hiervoor kan 1 gezamenlijk uitgiftepunt worden opgezet voor de uitgifte van de apparatuur. Dit wordt echter bemoeilijkt door de privatisering van de zorg, aansprakelijkheid en verzekeringen.

Onderzoeksmethode

De onderzoeksmethode die gebruikt is voor het onderzoek bestaat uit een literatuur- en praktijkonderzoek. 

Literatuuronderzoek
Voor het literatuuronderzoek zijn verscheidene bronnen geraadpleegd, betreffende: brochures, databases, boeken, betrouwbare internetsites, lesstof van de opleiding gezondheidszorgtechnologie en lesstof van de opleiding Medische Beeldvormende en Radiotherapeutische Technieken. Om de betrouwbaarheid te garanderen zijn met betrekking tot een onderwerp verschillende bronnen geraadpleegd. 

Praktijkonderzoek
Voor het praktijkonderzoek hebben de volgende activiteiten plaatsgevonden:

  • Interviews bij verscheidene partijen:
    Erasmus MC | Het LangeLand Ziekenhuis | Mediztechnik Flörkemeier | MeTeS (http://www.metes.nl/)            
  • Interview Radioloog
  • Meelopen met een echografielaborant
  • Uitleg over de huidige software UltraiQ van de medewerkers van het MIB
  • Contact met producent van het ATS fantoom: Cablon Medical
  • Contact met Toshiba over het ATS fantoom
  • Contact met leveranciers voor de kosten van de onderzoeksmethode Aureon: Acertara acoustic laboratories
  • Meekijken met het onderhoud van een echografietoestel in het IJsselland Ziekenhuis

Deze zijn verwerkt aan de hand van de hiervoor opgestelde formulieren. 

Voor het artikel zijn de resultaten betreffende het onderzoek  voor de overzichtelijkheid  onderverdeeld in de volgende hoofdstukken:

  1. Algemene werking van echografie
  2. Transducer van het echografietoestel
  3. Methodes en technieken voor de kwaliteitscontrole van transducers

[1] Leidse Onderwijsinstellingen (1992) Handboek Echografie, 3rd edition, Leiderdorp: Leidse       Onderwijsinstellingen.
[2] Riel, D.M.P.J.M.v. and Dijke, D.C.F.v. (2004) Fysische principes van de klinische beeldvorming, -     edition, Rotterdam: Erasmus MC.
[3] Zwollo, M. (1998) Techniek in de Radiologie H15, 1st edition, Maarssen: Elsevie/De Tijdstroom.
[4] Massink, H.T. (z.d.) Achtergronden bij echodiagnostiek, z.d. z.d., [Online], Available:     echoclinic.nl/request.php?210 [11 September 2015]
[5] Perry Sprawls, P.D. (z.d.) Ultrasound Production and Interactions, z.d. z.d., [Online],     Available:http://www.sprawls.org/ppmi2/USPRO/[17 September 2015].
[6] Raadsen-Janssens, M. and Trompert, R. (2013) Praktische echografie in de     huisartsenpraktijk, - edition, Maastricht: Drukkerij Walters.
[7] Haak, M.C. and Berg, P.P.v.d. (2013) Echoscopie in de verloskunde en gyneacologie H1,      4th edition, Amsterdam: Reed Business.
[8] Echocardiographer.org (z.d.) Transducer Basics, z.d. z.d., [Online], Available:http://www.echocardiographer.org/Echo%20Physics/BasicTransducers.html[24 September 2015].
[9] Nihon Dempa Kogyo Co. Ltd. (z.d.) Basic principle of medical ultrasonic probes (transducer), z.d. [Online], Available: http://www.ndk.com/en/sensor/ultrasonic/basic02.html [25 November 2015].
[10] Moore, G.W. (z.d.) Common Ultrasound Probe Failures, z.d. z.d., [Online], Available: http://www.faculty.pnc.edu/jlerne00/advanced/Common%20Probe%20Failures.pdf [30 September 2015].
[11] Moore, G.W. (z.d.) MAKING PERFORMANCE CALLS ON CONTEMPORARY DIAGNOSTIC ULTRASOUND TRANSDUCERS, z.d. z.d., [Online], Available: http://www.acertaralabs.com/wp-content/uploads/2014/08/Making-Performance-Calls-on-a-Proberev1a.pdf [20 Oktober 2015].
[12] Moore, G.W. (z.d.) The Effect and Mechanisms of Ultrasound Transducer Degradation on the Quality and Clinical Efficacy of Diagnostic Ultrasound Examinations., z.d. z.d., [Online], Available: http://www.ids-healthcare.com/Common/Paper/Paper_59/The%20Effect%20and%20Mechanisms.htm [30 September 2015].
[13] ATS Laboratories (z.d.)
[14] Toshiba Medical Systems Nederland (z.d.)
[15] Kollmann, C. and Dolezal, L. (z.d.) Technical Quality Evaluation of diagnostic ultrasound systems - a comprehensive overview of regulations and developments, 28th edition, Medical University of Vienna: EFSUMB.
[16] Gistvik, H. and Pettersson, S. (2013) Effects of dead elements in ultrasound transducers, z.d. z.d., [Online], Available: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:638244/FULLTEXT01.pdf [5 Oktober 2015].
[17] Cablon Medical (z.d.) UltraiQ, z.d. z.d., [Online], Available: https://ultraiq.com/home/ [5 Oktober 2015].
[18] Schaft, Z.v.d. (2014) Interview Metes Biomedic Service, 23 Mei, [Online], Available:http://www.vzi.nl/publicaties/20140523/presentaties/01-ZvanderSchaft_Biomedic.pdf [14 Oktober 2015].
[19] Acertara Acoustic Laboratories (z.d.) Aureon, z.d. z.d., [Online], Available: http://www.acertaralabs.com/?page_id=373 [20 Oktober 2015].
[20] Congres Vereniging van Ziekenhuis Instrumentatietechnici(2014), z.d. z.d., [Online], Available:http://www.vzi.nl/assets/documenten/congresboekje2014.pdf [14 Oktober 2014].
[21] Kochański, W., Boeff, M., Hashemiyan, Z., Staszewski, W.J. and Verma, P.K. (2015) Modelling and Numerical Simulations of In-Air Reverberation Images for Fault Detection in Medical Ultrasonic Transducers: A Feasibility Study, 17 Februari, [Online], Available: http://www.hindawi.com/journals/js/2015/796439/#B31 [14 Oktober 2015].
[22] Quinn, T. and Verma, P. (2014) The analysis of in-air reverberation patterns from medical ultrasound transducers, z.d. Februari, [Online], Available: http://ult.sagepub.com/content/22/1/26.abstract [14 Oktober 2015].
[23] Mao, M., Verma, P. and Staszewski, W.J. (2010) Proceedings of the Fifth European Workshop Structural Health Monitoring 2010, - edition, Pavia, Italie: DEStech Publications, Inc.
[24] BBS MEDICAL AB (z.d.) ProbeHunter, z.d. z.d., [Online], Available:http://www.transducertest.com/hospitals.html [3 December 2015].
[25] Unisyn (z.d.) Firstcall Probe Testing Device, z.d. z.d., [Online], Available:http://www.unisynmedical.com/firstcall.aspx [29 Oktober 2015].
[26] Zeger van der Schaft Interview Metes Biomedic Service
[27] Ron van Willigen (stagebegeleider) IJssellandziekenhuis, Medische Instrumenteel Beheer
[28] Willem van t Leven Erasmus MC
[29] Niels de Jong LangeLand Ziekenhuis

Toon alle referenties

Auteur