Датчики УЗ сканеров

Датчики УЗ сканеров

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.

Р
исунок 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  3о, 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   40о, 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 cкорость движения

Датчик

Объект

Эхо

t

Рисунок 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 X со 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.

Для адекватного воспроизведения УЗ изображения на экране монитора необходимо знать точное угловое положение пьезоэлемента. Оно определяется с помощью специального датчика углового положения, который входит в состав УЗ датчика. Определенную проблему для разработчиков УЗ сканеров создает малая частота качаний пьезоэлемента. В аналоговых моделях УЗ аппаратов это приводило к мерцанию изображения на экране, ухудшало его восприятие и утомляло зрение. В цифровых аппаратах при той же частоте качаний пьезоэлемента этот недостаток отсутствует.

Основу линейного датчика составляет многоэлементная пьезорешетка, или матрица. Она состоит из большого числа пьезоэлементов (от 50 до 300), разделенных между собой слоем изоляции (рис. 5). Ширина пьезоэлемента, включая толщину изоляции, d называется шагом решетки. При длине датчика около 100 мм и числе элементов, равном 200, dмм.


…

d

…

1 2 3 … n N




Объект

Рисунок 5. Сканирование линейным датчиком

Ввиду малости апертуры элемента решетки (d) его УЗ луч будет сильно расходящимся, а мощность излучения – чрезвычайно малой. Поэтому объект сканируют группой из n элементов, которую будем называть апертурой датчика. При этом решают сразу две проблемы – обеспечивают достаточную мощность излучения и осуществляют фокусировку луча и эхо-сигналов. Апертура датчика обычно содержит от 16 до 32 элементов. С помощью электронных средств управления – ключей и сдвигающих регистров – осуществляют перемещение результирующего луча вдоль решетки. На каждом шаге апертура датчика излучает УЗ колебания и принимает эхо-сигналы, т.е. формирует строку УЗ изображения. Очевидно, что общее количество таких строк равно Nстр = N – n + 1, где N – число элементов пьезорешетки. Например, чтобы получить 256 строк УЗ изображения при n = 32, необходимо N = 287. Заметим, что некоторые фирмы (Toshiba), производящие УЗ аппаратуру, применяют сканирование с чередующимся числом n элементов апертуры, например 48 – 47. Тем самым получают шаг сканирования, равный d/2, т.е. увеличивают число строк вдвое по сравнению с числом элементов. Разумеется, для этого требуются более сложные аппаратные (и программные) средства.

Коммутирующие ключи, через которые к пьезоэлементам подводятся импульсы возбуждения и передаются электрические эхо-сигналы, объединяются в группы с шагом n: 1-й – с n + 1-м, 2n + 1-м, 3n + 1- м и т.д.; 2-й – с n + 2-м, 2n + 2-м, 3n + 2-м и т.д. Таким образом, формируются n электрических каналов, по которым передаются и импульсы возбуждения и электрические эхо-сигналы.

Как уже отмечалось, важным достоинством линейных датчиков является возможность электронной фокусировки УЗ луча и эхосигналов. Будем называть их соответственно фокусировкой при передаче и при приеме. Сущность первой поясняет рис. 6.



1 2 3 4 5 6 7 8 … N


L

L

Объект

F

Рисунок 6. Фокусировка УЗ луча линейным датчиком

Пусть апертура датчика состоит из восьми элементов. Обозначим буквой F фокус – точку, в которой сходится УЗ луч. Физический смысл фокусировки состоит в том, чтобы обеспечить одновременный приход фронтов УЗ колебаний от отдельных элементов в заданную точку (фокус). Наибольший путь L>1> до фокуса проходит волна от первого элемента. Чтобы волны от других элементов приходили в точку фокуса одновременно с волной первого, их нужно возбуждать с задержкой по отношению к первому элементу. Она зависит от разности хода L>1>-L>i> и определяется по формуле

(2)

Обозначим расстояние от пьезорешетки до фокуса также буквой F. Тогда

и ; смысл размеров а>1> и а>i> понятен из чертежа.

Выразим их через шаг пьезорешетки d

; .

Приведем L>1> и L>i> к виду

; .

При >> можно воспользоваться приближенными формулами вычисления

; и (3)

Используя формулы (2.6) и (2.7), находим

. (4)

Задержки t>i>весьма малы и находятся в диапазоне 10 – 1000 нс. Так как число элементов n апертуры обычно четное, то, с учетом их симметричного расположения относительно оси апертуры, задержки рассчитываются для одной половины. Например, при n = 16, d = 1 мм и F = 50 мм задержка для средних элементов (i = 8,9), рассчитанная по формуле (4), будет равна 145 нс, а для элементов 2 и 15 – 36 нс.

Смысл фокусировки отраженных (эхо) сигналов состоит в следующем. Пусть на объект упал сфокусированный луч и от него отражается одна волна. Однако ее фронт дойдет до отдельных элементов апертуры в разное время – позже всех до крайних элементов – и вызовет в них импульсы малой амплитуды, распределенные во времени. Чтобы объединить их все вместе и получить один большой импульс, эхо-сигналы задерживают в той же последовательности, как и при фокусировке луча, и затем суммируют. Задержки рассчитывают по формуле (4). Формирование временных задержек для фокусировки при передаче осуществляют только цифровыми средствами. Для фокусировки при приеме в зависимости от поколений УЗ сканеров применяют и аналоговые и цифровые способы.

Обычно при передаче устанавливают один фокус, но его можно менять в процессе исследования одного и того же сечения – при этом будет меняться характер изображения. А вот фокусов при приеме, в принципе, может быть сколько угодно, причем точка фокуса перемещается в глубину синхронно с продвижением фронта УЗ луча. Обычно таких фокусов бывает 8 – 16. Временные задержки для получения различных фокусных расстояний хранятся в памяти программы или в ПЗУ и вводятся в соответствующие блоки по мере необходимости. Кроме того, надо учитывать, что при перемещении апертуры вдоль пьезорешетки в процессе сканирования изменяются положения элементов относительно апертуры. Так, после первого шага второй элемент становится первым, третий – вторым и т.д. При этом нужно изменять и соответствующие задержки.

Рассмотренный принцип фазоимпульсного управления многоэлементными структурами для формирования характеристики направленности УЗ луча используют также для электронной фокусировки луча механического секторного датчика и электронно-управляемого секторного сканирования. В первом случае ПЭП представляет собой к
ольцевую решетку, состоящую из нескольких изолированных колец (рис. 7).

Рисунок 7. Кольцевая пьезорешетка механического датчика

Для фокусировки при излучении запуск колец производится с задержкой: сначала запускается первое кольцо, потом второе и т.д. Фокусировка при приеме осуществляется с помощью задержки эхо-сигналов. Конструкция датчика получается более сложной хотя бы потому, что к подвижному преобразователю необходимо подвести большое количество проводников.

Электронная фокусировка позволяет существенно повысить разрешающую способность УЗ сканера. Отметим, что следует различать разрешающую способность по ширине и глубине. Первая обеспечивается фокусировкой, а вторая зависит прежде всего от длительности зондирующих импульсов, которая должна быть достаточно малой. Так, чтобы различать детали размером 1 мм, длительность импульса должна составлять около 0,6 мкс. При частоте УЗ колебаний 3 МГц импульс будет содержать 3 – 4 полупериода.

Широко применяются так называемые конвексные датчики. Они занимают промежуточное положение между секторными и линейными датчиками. Их пьезорешетка, как и у линейных, содержит большое (хотя и меньшее) количество элементов, но она изогнута в виде дуги. Это позволяет, с одной стороны, организовать управляемую фокусировку луча, а с другой – получить веерный растр. Поэтому конвексный датчик при относительно малых размерах позволяет получить большое поле обзора при хорошем качестве изображения.

Кроме рассмотренных выше типов эхограмм в УЗ диагностике иногда применяют С-эхограммы. Их получают путем фронтального сканирования объекта, в результате чего строится изображение сечения на определенной глубине. Сканирование обычно выполняют вручную, а сама процедура требует специальных приспособлений: ванна с водой, куда помещается пациент, механический датчик координат и др. Разумеется, аппаратура для С-сканирования должна быть цифровой, с памятью.