Датчики УЗ сканеров (стр. 1 из 3)

Датчиком УЗ сканера (по-английски Probe) называют выносное устройство, которое служит для локации объекта УЗ колебаниями и приема и преобразования в электрические импульсы отраженных звуковых сигналов (эхо). Датчик содержит один или несколько пьезоэлементов и другие механические и электрические компоненты, тип которых зависит от назначения датчика. Рассмотрим устройство простейшего датчика, содержащего один пьезоэлемент (рис. 1). Такой датчик называют еще монозондом.

Рисунок 1. Одномерный ультразвуковой датчик

В металлическом корпусе 1 расположен пьезоэлемент 2, который снаружи покрыт согласующим слоем 3. С тыльной стороны пьезоэлемента расположен демпфер 4 – слой пористой керамики, предназначенный для гашения звуковых колебаний, излучаемых назад, и для получения коротких УЗ импульсов. Возбуждение и съем сигнала с ПЭП осуществляется через коаксиальный разъем, причем наружный электрод ПЭП соединен с корпусом. Для уменьшения зарядного тока ПЭП и формирования зондирующего импульса в его цепь включают индуктивность 5 – дроссель.

Чтобы пьезопреобразователь работал на частоте собственного механического резонанса, его толщину выбирают равной половине длины волны возникающих в нем звуковых колебаний. Например, для ЦТС-19 при частоте 3 МГц найдем

мм,

и значит толщина пьезоэлемента будет равна 0,67 мм.

Зондирование таким датчиком осуществляется путем непосредственного контакта с поверхностью тела. При этом неизбежны потери мощности УЗ колебаний из-за отражения. Для его уменьшения и служит согласующий слой. При его отсутствии вследствие большого различия волновых импедансов пьезоэлектрика и мягких тканей коэффициент отражения был бы равен 0,87, т.е. лишь 13% излучаемой энергии проходило бы в ткани. Для исключения отражений необходимо, чтобы волновой импеданс согласующего слоя Z

был равен среднегеометрической величине волновых импедансов Z_П и Z_Т пьезоэлектрика и тканей:

. (1)

Например, волновой импеданс Z_С согласующего слоя для пьезоэлемента из ЦТС-19 будет равен примерно 3,7 Z_воды (с учетом того, что Z_Т

Z_воды). Толщина согласующего слоя берется равной четверти длины волны в мягких тканях, в данном случае 0,25 мм.

Характеристика направленности датчика определяется размерами его рабочей поверхности – апертуры. Ее примерный вид для дискового ПЭП показан на рис. 1. Она имеет так называемую ближнюю зону (зону Френеля) длиной L и дальнюю зону (Фраунгофера), в которой УЗ луч расходится с углом

. Эти параметры зависят от соотношения диаметра ПЭП и длины волны УЗ в тканях и определяются по формулам

; (2)

Например, для D =10 мм и

= 0,5 мм имеем L = 50 мм и q»3^о, т.е. протяженность ближней зоны достаточно велика, а угол расхождения – мал.

Датчик с такой характеристикой направленности обеспечивает концентрированное излучение и селективный прием сигналов вдоль оси луча. Если же D = 1 мм, то L = 0,5 мм и q» 40^о, т.е. ближняя зона практически отсутствует, а угол расхождения очень большой.

УЗ луч можно сфокусировать, если поверхность ПЭП выполнить вогнутой. Фокусное расстояние будет определяться радиусом кривизны. Для фокусировки применяют также акустические линзы. Они могут быть вогнутыми и выпуклыми. Если линза выпуклая, то она должна быть изготовлена из материала, скорость звука в котором меньше скорости звука в тканях. Применяют также электронно-управляемую фокусировку УЗ луча, которая будет рассмотрена ниже.

Различные способы отображения (визуализации) УЗ эхо-сигналов называются эхограммами. Простейшей из них является А-эхограмма. Она получается при локации объекта одномерным датчиком вдоль какого-либо направления и представляет собой некоторую кривую на экране ЭЛТ. Механизм получения А-эхограммы поясняет рис. 2. Датчик «обстреливает» объект короткими импульсами и электронного луча по экрану должна быть в два раза меньше скорости звука

(при масштабе изображения 1: 1). Сделанное замечание относится к аналоговым УЗ приборам и не имеет существенного значения для цифровых.

принимает эхо-сигналы, отраженные от границ органов и сред. Эти сигналы отображаются на экране ЭЛТ с помощью временной развертки или в виде яркостных меток. При этом надо учитывать, что УЗ луч в объекте проходит путь в оба конца и затрачивает на это время t = 2Z/c, а электронный луч проходит путь в один конец, и затем следует невидимый обратный ход. Отсюда вытекает, что cкоростьдвижения

ДатчикОбъектЭхоtРисунок 2. А – эхограмма.

А-эхограммы имеют ограниченное самостоятельное применение. Более распространена М-эхограмма, название которой происходит от английского словосочетания motion-time – движение-время. Этот вид эхограммы используют для исследования подвижных объектов, в основном сердца. Ее сущность поясняет рис. 3.

Датчик

Dмакс

Dмин

Сердце

Рисунок 3. М-эхограмма

Сердце через межреберное пространство зондируется одномерным датчиком по выбранному направлению УЗ посылками, следующими с частотой в несколько кГц. На экране ЭЛТ электронный луч разворачивается по осям Х и Y, причем по оси Xсо скоростью 25 – 50 мм/с, а по оси Y – cо скоростью c/2 (при масштабе 1:1), при этом координата Y соответствует глубине локации. За время одного сокращения сердца датчик «обстреливает» его большим числом импульсов и принимает большое число эхо-сигналов, которые вызовут появление яркостных меток на экране. Их координата Y соответствует глубине объекта, от которого был получен эхо-сигнал. На рис. 3 сердце показано в стадии диастолы (сплошная линия) и систолы (штриховая линия). В первом случае эхо от передней стенки миокарда приходит с меньшей, а во втором – с большей глубины. Таким образом, М-эхограмма представляет собой развертку во времени движения объекта по глубине.

Кроме стенок миокарда УЗ луч отражают и другие отделы сердца, и результирующая М-эхограмма получается очень сложной. Опытный врач-кардиолог может извлечь из нее много полезной информации: размеры сердца в разных стадиях (показано на рисунке), характер движения стенок и клапанов и многое другое. Описанный механизм получения М-эхограммы характерен для аналоговых УЗ сканеров. В цифровых сканерах он выглядит несколько иначе. Учитывая большую диагностическую информативность М-эхограммы, ее обязательно включают в набор режимов современных УЗ аппаратов.

Основным способом УЗ визуализации внутренних органов является двухмерная В-эхограмма. Она представляет собой изображение сечения внутреннего органа или структуры и, по сути, является томограммой. Ее получают с помощью сканирующих двухмерных датчиков, которые различаются по способу сканирования – с механическим и электронным управлением и по виду получаемого изображения (растра) – секторные и линейные. Датчики с механическим управлением дают только секторные изображения, а датчики с электронным управлением – могут давать изображения в секторном и прямоугольном растрах. Долгое время секторные механические датчики оставались основным типом датчиков УЗ сканеров. Они проще в изготовлении и имеют меньшую стоимость, чем линейные. Последние стали широко применяться, когда были разработаны способы управления, позволившие существенно улучшить качество изображения.

Механический секторный датчик обычно имеет один дисковый пьезоэлемент, который с помощью какого-либо движителя (обычно электродвигателя) совершает качание вокруг оси и зондирует объект УЗ импульсами с высокой частотой повторения (рис. 4).

ПЭП

Рисунок 4. Сканирование механическим секторным датчиком

На экране монитора изображение сечения органа или структуры получается из яркостных меток, расположенных вдоль УЗ луча. Дискретность изображения зависит от количества УЗ лучей – желательно, чтобы их было как можно больше. Механические секторные датчики имеют относительно небольшую частоту качаний – 10 – 15 в секунду (под качанием будем понимать перемещение пьезоэлемента из одного крайнего углового положения в другое). Если принять максимальную глубину локации Zмакс равной 200 мм, то время движения УЗ луча в оба конца составит Тмакс = 2Zмакс/c = 270 мкс. Нетрудно рассчитать, что при частоте качаний, равной 10 1/c, один кадр УЗ изображения будет содержать около 300 лучей. На практике их число выбирают равным 128 или 256.