Устройства для получения и приёма ультразвука

В основе устройства излучателей и приёмников УЗ, применяемых в медицинской УЗ-аппаратуре, лежит или пьезоэлектрический или магнитострикционный эффект.

В технике также используются искусственные источники УЗ - специальные свистки и сирены.

Для получения и приёма ультразвука относительно низких частот (до 50 кГц), используются магнитострикционныепреобразователи.

Работа магнитострикционных излучателей основана на прямом магнитострикционном эффекте.

 

Если на катушку, в которую помещён стержень из ферромагнитного материала, подавать переменный электрический ток, то вдоль стержня будет происходить сжатие или растяжение. Это явление называется прямым магнитострикционным эффектом (рис. 8).

 

Рис. 8. Схема прямого магнитострикционного эффекта

 

Если периоды собственных колебаний стержня и магнитного поля одинаковы, то амплитуда колебаний будет максимальна, имеет место явление резонанса. Колебания стержня продольные, поэтому волна будет исходить из концов стержня.

Обычный магнитострикционный излучатель представляет собой пакет, набранный из тонких пластин толщиной 0,1 - 0,2 мм, которые изолируются между собой лакированием или оксидированием. Материалом пластин служат ферриты.

Для приёма УЗ используется обратный магнитострикционный эффект - если стержень из ферромагнитного материала сжимать или растягивать, то в обмотке возникает переменный ток (рис. 9).

 

Рис. 9. Схема обратного магнитострикционного эффекта

 

Пьезоэлектрические преобразователи

Для создания ультразвука высоких частот 1 - 10 МГц используются пьезоэлектрические излучатели. Пьезоэлектрические излучатели могут генерировать ультразвук с частотой до 50 МГц.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на принципе пьезоэлектрического эффекта («пьезо» от греческого слова означающего "нажать"), открытого в 1880 году французскими учеными Жаком и Пьером Кюри. Сущность эффекта состоит в том, что при деформации пластины из некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли, турмалина, фосфорнокислого аммония, керамических материалов на основе титаната бария и др.) на ее гранях возникают противоположные по знаку
электрические заряды. Образующиеся при этом заряды прямо пропорциональны прикладываемой к кристаллу силе.

Причём в случае приложения к противоположным граням таких кристаллов разности потенциалов на них образуются разноимённые электрические заряды, под действием которых он деформируется. Это явление в отличие от предыдущего («прямого») назвали «обратным пьезоэлектрическим эффектом».

Применяемые в УЗ устройствах датчики содержат пьезоэлектрические кристаллы, способные преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот.

Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых волн.

Обратный пьезоэлектрический эффект применяется для излучения УЗ механических волн.

 

Схемы прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта показаны на рис. 10:

а)

б)

Рис. 10. Схема пьезоэлектрического эффекта:
а) прямой, б) обратный

 

Пьезоэлектрический источник содержит пьезокристалл, на обеих гранях которого закреплены электроды (Рис. 11).

Рис. 11. Схема УЗ источника:
1 - пьезокристалл, 2 - электроды,
3 -изолирующий материал, 4 - проводники

 

С одной стороны кристалла находится прослойка вещества, поглощающего УЗ, который распространяется в направлении,
противоположном требуемому. На стороне, обращенной к объекту, помещена УЗ линза. Используются различные кристаллы, генерирующие УЗ разной частоты (1 - 10) МГц, имеющие разный диаметр, фокусное расстояние 6-14 см. Выбор кристалла зависит от задачи исследования.

В некоторых случаях применяются сложные источники, состоящие из нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме. Это позволяет создавать УЗ пучок высокой плотности.

УЗ волны, используемые в медицине для диагностики, имеют частоту 2-10 МГц, соответственно, длину волны в жидкости λ - 0,5 - 1,5 мм, что позволяет создавать узкий УЗ луч способный производить очень точную локацию биологических структур и органов.

Под разрешающей способностью прибора понимают минимальное расстояние между двумя точками объекта, при котором они регистрируются на экране монитора как отдельные. Различают аксиальную (вдоль луча) и латеральную (перпендикулярно к нему) разрешающие способности. Первая определяется длиной УЗ импульса (которая пропорциональна длине волны), вторая – шириной луча. Чем выше частота, тем лучше разрешение. Однако при этом возрастает поглощение энергии УЗ луча и ухудшается его проникающая способность. Таким образом, можно говорить об оптимальной разрешающей способности для конкретной задачи.

Для диагностики чаще всего используют УЗ с частотой 2 - 4 МГц. УЗ луч с такой частотой, позволяет зарегистрировать отстоящие друг от друга объекты на расстоянии

 

около 1 мм. Считают в этом случае разрешающую способность равной 1 мм.

При использовании высокой частоты УЗ луча с большой разрешающей способностью значительная часть посылаемой энергии тратиться на отражение от многих малых структур, а оставшаяся часть проникает дальше, в глубь тканей. Таким образом, чем больше частота УЗ луча и, следовательно, чем больше разрешающая способность, тем меньше проникающая.

Например, для кардиологических исследований у взрослых людей используется частота 2,25 - 3,5 МГц, у детей более высокие частоты.

Поэтому для получения качественного сфокусированного изображения объекта с помощью отраженного сигнала, необходимо соответствие нужной глубины проникновения УЗ и размеров исследуемого объекта с частотой УЗ излучения.

Генерированный УЗ датчиком сигнал распространяется на некоторое расстояние, называемое ближней зоной (полем), который затем расходится в так называемой дальней зоне. Лучше могут быть обследованы объекты, находящиеся в ближней зоне: здесь выше интенсивность излучения (рис. 12).

 

 

Рис. 12. Зоны не сфокусированного луча

 

В случае сфокусированного луча, в зоне фокуса УЗ лучи распространяются перпендикулярно границе раздела фаз, и эхосигнал имеет большую энергию (рис. 13).

 

Рис. 13. Зоны луча сфокусированного акустической линзой.

 

Протяженность ближней зоны зависит от радиуса датчика и длины УЗ волны:

 

L ~ r/λ = rν/С = rν/1540,

 

где L - протяженность ближней зоны, r - радиус датчика, λ - длина УЗ волны, ν – частота УЗ, С = 1540 м/с – средняя скорость УЗ в мягких тканях.

Отсюда видно, что размер ближайшей зоны можно увеличить, увеличив частоту или радиус датчика. Выбор конкретного датчика зависит от многих факторов (см. табл. 6).

 

Таблица 6

Сравнительная характеристика УЗ датчиков.

Параметры датчика	Преимущества	Недостатки
Малый диаметр	Можно: использовать при ограниченной зоне; сильно отклонять; он дает тонкий пучок в ближайшей зоне	Короткая ближняя зона, большая дивергенция (расхождение) в дальней зоне
Большой диаметр	Длинная ближняя зона, малая дивергенция в дальней зоне	Низкая латеральная разрешающая способность из-за широкого пучка
Высокая частота	Высокая разрешающая способность, длинная ближняя зона	Низкая проникающая способность
Низкая частота	Высокая проникающая способность	Низкая разрешающая способность, малая ближняя зона

 

Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.

Можно удлинить ближнюю зону и уменьшить расхождение УЗ пучка в дальней зоне с использованием специальных линз.

Собирающие линзы фокусируют параллельные УЗ лучи и используются для сжатия пучка. Они формируют узкий пучок высокой интенсивности на коротком участке, за пределами которого лучи расходятся, но не в такой степени, как это было бы без их использования.

В современных датчиках фокусировка УЗ лучей осуществляется электронными средствами.

Виды ультразвукового сканирования

Используются три вида ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное.

Для различного вида сканирования используются разные излучатели: линейные, конвексные (выпуклые), секторные и др. Конвексные датчики сочетают в себе преимущества секторного и линейного сканирования

Схемы для различных видов ультразвукового сканирования представлены на рис.14.

Рис. 14. Схемы ультразвукового сканирования:

а) - линейное (параллельное), б) – секторное,

в) – конвексное

 

Форматы изображения, получаемые при помощи некоторых датчиков, представлены на рис. 3.2.8:

Формат изображения
Тип датчика	Линейные датчики	Конвексные датчики	Секторные датчики

Рис.15. Форматы изображения: темным фоном выделены зоны

с наилучшим разрешением

 

Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.

Существуют различные виды датчиков

Линейные датчики

Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого датчика на поверхности тела, высокое разрешение в поле, расположенном близко к датчику. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности датчика к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям. Размер линейных датчиков от 3 до 10 см.

Конвексные датчики

Конвексные датчики имеют выпуклую одномерную решетку, лучи расходятся веером. Конвексный датчик имеет меньшую длину, поэтому легче добиться равномерности его прилегания к коже пациента. У них уменьшен размер, но область сканирования увеличена, в ближней зоне разрешение остается высоким. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие.

Этот тип датчиков используется при исследовании внутренних органов брюшной полости и малого таза, а также для исследования щитовидной железы, почек и печени, причём для почек и печени в равной степени пригодны как конвексные, так и линейные датчики. Такие датчики используются, также в стоматологии.

Секторные датчики

Секторные датчики подразумевают расхождение лучей из одной точки. Они имеют еще большее несоответствие между размерами датчика и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки, либо когда интересующий объект прикрыт каким либо препятствием, например костями черепа. Они имеют малую поверхность соприкосновения, используются при исследовании сердца и мозга через родничок.

Кольцевые датчики

Кольцевые датчики, в которых используется кольцевое фазовое построение кристаллов. Они состоят из множества круглых концентрически расположенных кольцевидных кристаллов, что позволяет фокусировать ультразвуковой луч, как в плоскости изображения, так и перпендикулярно ему.

Существуют датчики, специально сконструированные для того, чтобы быть ближе расположенными к исследуемому объекту: трансвагинальный, трансректальный, пищеводный и имеют разные формы.

 

В диагностических целях обычно используют датчики с частотами: от 3.0 до 10 МГц. В последние годы появились приборы, оснащенные высокочастотными датчиками 10-20 МГц.

Датчики с рабочей частотой 3.0- 5.0 МГц (конвексные и секторные) используются в кардиологии, в абдоминальной диагностике и исследованиях органов малого таза, в педиатрии. С частотой 3.0-10 МГц (линейные датчики) – при исследовании поверхностно расположенных кровеносных сосудов и органов – щитовидной железы, молочных желез, лимфатической системы.

Типичные характеристики разрешения линейных датчиков для
различных частот указаны в табл.7.

 

Таблица 7

Частота, МГц	Аксиальное разрешение, мм.	Латеральное разрешение, мм.
3,0 (исслед. камней)	1,1	2,8
10,0 (исслед. сосудов)	0,3	1,0