ДатчикиУЗ сканеров
ДатчикомУЗ сканера (по-английски Probe) называют выносное устройство, которое служитдля локации объекта УЗ колебаниями и приема и преобразования в электрическиеимпульсы отраженных звуковых сигналов (эхо). Датчик содержит один или несколькопьезоэлементов и другие механические и электрические компоненты, тип которыхзависит от назначения датчика. Рассмотрим устройство простейшего датчика,содержащего один пьезоэлемент (рис. 1). Такой датчик называют ещемонозондом./> />
Рисунок 1. Одномерныйультразвуковой датчик
Вметаллическом корпусе 1 расположен пьезоэлемент 2, который снаружи покрытсогласующим слоем 3. С тыльной стороны пьезоэлемента расположен демпфер 4 –слой пористой керамики, предназначенный для гашения звуковых колебаний, излучаемыхназад, и для получения коротких УЗ импульсов. Возбуждение и съем сигнала с ПЭПосуществляется через коаксиальный разъем, причем наружный электрод ПЭП соединенс корпусом. Для уменьшения зарядного тока ПЭП и формирования зондирующегоимпульса в его цепь включают индуктивность 5 – дроссель.
Чтобыпьезопреобразователь работал на частоте собственного механического резонанса,его толщину выбирают равной половине длины волны возникающих в нем звуковыхколебаний. Например, для ЦТС-19 при частоте 3 МГц найдем
/> мм,
изначит толщина пьезоэлемента будет равна 0,67 мм.
Зондированиетаким датчиком осуществляется путем непосредственного контакта с поверхностьютела. При этом неизбежны потери мощности УЗ колебаний из-за отражения. Для егоуменьшения и служит согласующий слой. При его отсутствии вследствие большогоразличия волновых импедансов пьезоэлектрика и мягких тканей коэффициентотражения был бы равен 0,87, т.е. лишь 13% излучаемой энергии проходило бы вткани. Для исключения отражений необходимо, чтобы волновой импеданссогласующего слоя Z/> был равенсреднегеометрической величине волновых импедансов ZП и ZТ пьезоэлектрика и тканей:
/>. (1)
Например,волновой импеданс ZС согласующего слоя для пьезоэлемента из ЦТС-19 будет равенпримерно 3,7 Zводы (с учетом того, что ZТ/> Zводы). Толщина согласующегослоя берется равной четверти длины волны в мягких тканях, в данном случае 0,25 мм.
Характеристиканаправленности датчика определяется размерами его рабочей поверхности –апертуры. Ее примерный вид для дискового ПЭП показан на рис. 1. Она имееттак называемую ближнюю зону (зону Френеля) длиной L и дальнюю зону (Фраунгофера),в которой УЗ луч расходится с углом />. Этипараметры зависят от соотношения диаметра ПЭП и длины волны УЗ в тканях иопределяются по формулам
/>; /> (2)
Например,для D=10 мм и />= 0,5 мм имеем L = 50 мм и q »3о, т.е. протяженность ближней зоныдостаточно велика, а угол расхождения – мал.
Датчикс такой характеристикой направленности обеспечивает концентрированное излучениеи селективный прием сигналов вдоль оси луча. Если же D = 1 мм, то L = 0,5 мм и q » 40о, т.е.ближняя зона практически отсутствует, а угол расхождения очень большой.
УЗлуч можно сфокусировать, если поверхность ПЭП выполнить вогнутой. Фокусноерасстояние будет определяться радиусом кривизны. Для фокусировки применяюттакже акустические линзы. Они могут быть вогнутыми и выпуклыми. Если линза выпуклая,то она должна быть изготовлена из материала, скорость звука в котором меньшескорости звука в тканях. Применяют также электронно-управляемую фокусировку УЗлуча, которая будет рассмотрена ниже.
Различныеспособы отображения (визуализации) УЗ эхо-сигналов называются эхограммами. Простейшейиз них является А-эхограмма. Она получается при локации объекта одномернымдатчиком вдоль какого-либо направления и представляет собой некоторую кривую наэкране ЭЛТ. Механизм получения А-эхограммы поясняет рис. 2. Датчик «обстреливает»объект короткими импульсами и электронного луча по экрану должна быть в двараза меньше скорости звука /> (при масштабеизображения 1: 1). Сделанное замечание относится к аналоговым УЗ приборам и неимеет 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-эхограммыимеют ограниченное самостоятельное применение. Более распространенаМ-эхограмма, название которой происходит от английского словосочетания motion-time – движение-время. Этотвид эхограммы используют для исследования подвижных объектов, в основномсердца. Ее сущность поясняет рис. 3.
/>Датчик
Dмакс
Dмин
Сердце
Рисунок3. М-эхограмма
Сердцечерез межреберное пространство зондируется одномерным датчиком по выбранномунаправлению УЗ посылками, следующими с частотой в несколько кГц. На экране ЭЛТэлектронный 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 сердцадатчик «обстреливает» его большим числом импульсов и принимает большое числоэхо-сигналов, которые вызовут появление яркостных меток на экране. Их координатаY соответствует глубинеобъекта, от которого был получен эхо-сигнал. На рис. 3 сердце показано встадии диастолы (сплошная линия) и систолы (штриховая линия). В первом случаеэхо от передней стенки миокарда приходит с меньшей, а во втором – с большейглубины. Таким образом, М-эхограмма представляет собой развертку во временидвижения объекта по глубине.
Кроместенок миокарда УЗ луч отражают и другие отделы сердца, и результирующаяМ-эхограмма получается очень сложной. Опытный врач-кардиолог может извлечь изнее много полезной информации: размеры сердца в разных стадиях (показано нарисунке), характер движения стенок и клапанов и многое другое. Описанныймеханизм получения М-эхограммы характерен для аналоговых УЗ сканеров. В цифровыхсканерах он выглядит несколько иначе. Учитывая большую диагностическуюинформативность М-эхограммы, ее обязательно включают в набор режимов современныхУЗ аппаратов.
Основнымспособом 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 двухмерныхдатчиков, которые различаются по способу сканирования – с механическим иэлектронным управлением и по виду получаемого изображения (растра) – секторные илинейные. Датчики с механическим управлением дают только секторные изображения,а датчики с электронным управлением – могут давать изображения в секторном ипрямоугольном растрах. Долгое время секторные механические датчики оставалисьосновным типом датчиков УЗ сканеров. Они проще в изготовлении и имеют меньшуюстоимость, чем линейные. Последние стали широко применяться, когда былиразработаны способы управления, позволившие существенно улучшить качествоизображения.
Механическийсекторный датчик обычно имеет один дисковый пьезоэлемент, который с помощьюкакого-либо движителя (обычно электродвигателя) совершает качание вокруг оси изондирует объект УЗ импульсами с высокой частотой повторения (рис. 4).
/>ПЭП/> /> /> /> /> /> /> /> />
Рисунок4. Сканирование механическим секторным датчиком
Наэкране монитора изображение сечения органа или структуры получается изяркостных меток, расположенных вдоль УЗ луча. Дискретность изображения зависитот количества УЗ лучей – желательно, чтобы их было как можно больше. Механическиесекторные датчики имеют относительно небольшую частоту качаний – 10 – 15 всекунду (под качанием будем понимать перемещение пьезоэлемента из одного крайнегоуглового 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. Нетруднорассчитать, что при частоте качаний, равной 10 1/c, один кадр УЗизображения будет содержать около 300 лучей. На практике их число выбирают равным128 или 256.
Дляадекватного воспроизведения УЗ изображения на экране монитора необходимо знатьточное угловое положение пьезоэлемента. Оно определяется с помощью специальногодатчика углового положения, который входит в состав УЗ датчика. Определеннуюпроблему для разработчиков УЗ сканеров создает малая частота качанийпьезоэлемента. В аналоговых моделях УЗ аппаратов это приводило к мерцанию изображенияна экране, ухудшало его восприятие и утомляло зрение. В цифровых аппаратах притой же частоте качаний пьезоэлемента этот недостаток отсутствует.
Основулинейного датчика составляет многоэлементная пьезорешетка, или матрица. Онасостоит из большого числа пьезоэлементов (от 50 до 300), разделенных междусобой слоем изоляции (рис. 5). Ширина пьезоэлемента, включая толщинуизоляции, dназывается шагом решетки. При длине датчика около 100 мм и числеэлементов, равном 200, d/>мм./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> …
/>/>/>/>/>/>/>/>/>d
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>…
12 3 … n N
/>
Объект
Рисунок5. Сканирование линейным датчиком
Ввидумалости апертуры элемента решетки (d) его УЗ луч будет сильно расходящимся, амощность излучения – чрезвычайно малой. Поэтому объект сканируют группой из n элементов, которую будемназывать апертурой датчика. При этом решают сразу две проблемы – обеспечиваютдостаточную мощность излучения и осуществляют фокусировку луча и эхо-сигналов.Апертура датчика обычно содержит от 16 до 32 элементов. С помощью электронныхсредств управления – ключей и сдвигающих регистров – осуществляют перемещениерезультирующего луча вдоль решетки. На каждом шаге апертура датчика излучает УЗколебания и принимает эхо-сигналы, т.е. формирует строку УЗ изображения.Очевидно, что общее количество таких строк равно Nстр = N – n + 1, где N – число элементовпьезорешетки. Например, чтобы получить 256 строк УЗ изображения при n = 32, необходимо N = 287. Заметим, чтонекоторые фирмы (Toshiba), производящие УЗ аппаратуру, применяют сканирование счередующимся числом n элементов апертуры, например 48 – 47. Тем самым получают шагсканирования, равный d/2, т.е. увеличивают число строк вдвое по сравнению с числомэлементов. Разумеется, для этого требуются более сложные аппаратные (ипрограммные) средства.
Коммутирующиеключи, через которые к пьезоэлементам подводятся импульсы возбуждения ипередаются 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. Такимобразом, формируются n электрических каналов, по которым передаются и импульсывозбуждения и электрические эхо-сигналы.
Какуже отмечалось, важным достоинством линейных датчиков является возможностьэлектронной фокусировки УЗ луча и эхосигналов. Будем называть их соответственнофокусировкой при передаче и при приеме. Сущность первой поясняет рис. 6.
/>/>/>/>
/>/>/>/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>
12 3 4 5 6 7 8 … N
/>
L/>
L/>
/>Объект
/>/>/>F
Рисунок6. Фокусировка УЗ луча линейным датчиком
Пустьапертура датчика состоит из восьми элементов. Обозначим буквой F фокус – точку, в которойсходится УЗ луч. Физический смысл фокусировки состоит в том, чтобы обеспечитьодновременный приход фронтов УЗ колебаний от отдельных элементов в заданнуюточку (фокус). Наибольший путь L1 до фокуса проходит волна от первого элемента.Чтобы волны от других элементов приходили в точку фокуса одновременно с волнойпервого, их нужно возбуждать с задержкой по отношению к первому элементу. Оназависит от разности хода L1-Li и определяется по формуле/>
/> (2)
Обозначимрасстояние от пьезорешетки до фокуса также буквой F. Тогда
/> и />; смысл размеров а1и аi понятен из чертежа.
Выразимих через шаг пьезорешетки d
/>; />.
ПриведемL1 и Li к виду
/>/>; />.
При/>>> /> можно воспользоватьсяприближенными формулами вычисления
/>; /> и />/> (3)
Используяформулы (2.6) и (2.7), находим
/>. (4)
Задержкиti/>весьма малы и находятся вдиапазоне 10 – 1000 нс. Так как число элементов n апертуры обычно четное,то, с учетом их симметричного расположения относительно оси апертуры, задержкирассчитываются для одной половины. Например, при n = 16, d = 1 мм и F = 50 мм задержкадля средних элементов (i = 8,9), рассчитанная по формуле (4), будет равна 145нс, а для элементов 2 и 15 – 36 нс.
Смыслфокусировки отраженных (эхо) сигналов состоит в следующем. Пусть на объект упалсфокусированный луч и от него отражается одна волна. Однако ее фронт дойдет доотдельных элементов апертуры в разное время – позже всех до крайних элементов –и вызовет в них импульсы малой амплитуды, распределенные во времени. Чтобыобъединить их все вместе и получить один большой импульс, эхо-сигналызадерживают в той же последовательности, как и при фокусировке луча, и затемсуммируют. Задержки рассчитывают по формуле (4). Формирование временныхзадержек для фокусировки при передаче осуществляют только цифровыми средствами.Для фокусировки при приеме в зависимости от поколений УЗ сканеров применяют ианалоговые и цифровые способы.
Обычнопри передаче устанавливают один фокус, но его можно менять в процессеисследования одного и того же сечения – при этом будет меняться характеризображения. А вот фокусов при приеме, в принципе, может быть сколько угодно,причем точка фокуса перемещается в глубину синхронно с продвижением фронта УЗлуча. Обычно таких фокусов бывает 8 – 16. Временные задержки для получения различныхфокусных расстояний хранятся в памяти программы или в ПЗУ и вводятся всоответствующие блоки по мере необходимости. Кроме того, надо учитывать, чтопри перемещении апертуры вдоль пьезорешетки в процессе сканирования изменяютсяположения элементов относительно апертуры. Так, после первого шага второйэлемент становится первым, третий – вторым и т.д. При этом нужно изменять исоответствующие задержки.
Рассмотренныйпринцип фазоимпульсного управления многоэлементными структурами для формированияхарактеристики направленности УЗ луча используют также для электроннойфокусировки луча механического секторного датчика и электронно-управляемогосекторного сканирования. В первом случае ПЭП представляет собой /> />
кольцевую решетку,состоящую из нескольких изолированных колец (рис. 7).
Рисунок7. Кольцевая пьезорешетка механического датчика
Дляфокусировки при излучении запуск колец производится с задержкой: сначала запускаетсяпервое кольцо, потом второе и т.д. Фокусировка при приеме осуществляется спомощью задержки эхо-сигналов. Конструкция датчика получается более сложной хотябы потому, что к подвижному преобразователю необходимо подвести большоеколичество проводников.
Электроннаяфокусировка 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 отдлительности зондирующих импульсов, которая должна быть достаточно малой. Так,чтобы различать детали размером 1 мм, длительность импульса должнасоставлять около 0,6 мкс. При частоте УЗ колебаний 3 МГц импульс будетсодержать 3 – 4 полупериода.
Широкоприменяются так называемые конвексные датчики. Они занимают промежуточноеположение между секторными и линейными датчиками. Их пьезорешетка, как и улинейных, содержит большое (хотя и меньшее) количество элементов, но онаизогнута в виде дуги. Это позволяет, с одной стороны, организовать управляемуюфокусировку луча, а с другой – получить веерный растр. Поэтому конвексныйдатчик при относительно малых размерах позволяет получить большое поле обзорапри хорошем качестве изображения.
Кромерассмотренных выше типов эхограмм в УЗ диагностике иногда применяютС-эхограммы. Их получают путем фронтального сканирования объекта, в результатечего строится изображение сечения на определенной глубине. Сканирование обычновыполняют вручную, а сама процедура требует специальных приспособлений: ванна сводой, куда помещается пациент, механический датчик координат и др. Разумеется,аппаратура для С-сканирования должна быть цифровой, с памятью.