УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ СКАНЕРЫ
Введение
Ультразвуковыеаппараты для интроскопии в литературе встречаются под разными названиями:эхоскопы, эхотомоскопы, УЗ сканеры. Первое и второе названия подчеркивают ихфизическую сущность – отражение УЗ колебаний от границ раздела сред и органов,а второе – форму исследуемой области – сечение. Более емким по смыслу являетсятретье название – оно совмещает физическую и техническую особенности этихаппаратов. На дверях кабинетов для УЗ обследования можно увидеть таблички снадписью «УЗИ». Этой аббревиатурой часто пользуются и пациенты. Ее можно расшифроватькак «ультразвуковые исследования» и как «ультразвуковая интроскопия».
1. Физические основы УЗ визуализации
Работабольшинства УЗ сканеров основана на явлении отражения ультразвуковых колебанийот границ раздела сред. Важнейшими акустическими параметрами, которыеучитываются при проектировании УЗ сканеров, являются скорость распространениязвуковых колебаний, волновой импеданс и затухание.
Скоростьраспространения звука в однородной среде зависит от ее плотности и упругости иопределяется формулой
/>,
где /> - модульупругости среды, /> - плотность.
Величиныскорости распространения звука в мягких тканях и жидких средах организма (ликворах)отличаются очень мало и близки к скорости звука в воде — 1540 м/c. Скорость звука в костных тканяхизменяется в широких пределах – от 1700 до 2300 м/с.
Волновойакустический импеданс аналогичен волновому сопротивлению длинной линии ипредставляет собой отношение акустического давления Р к колебательной скорости v частиц среды. Однако эти величиныобычно неизвестны. Волновой импеданс можно определить также через скоростьзвука и плотность среды:
/>. (1)
Волновойимпеданс мягких тканей близок к импедансу воды и составляет примерно 1,5 10/>кг//>.
Обобщеннойэнергетической характеристикой УЗ колебаний, как и физических колебаний любойприроды, является интенсивнось I –мощность, приходящаяся на единицу поверхности. При распространении в тканяхорганизма ультразвуковые колебания претерпевают значительное затухание.Интенсивность колебаний на поверхности тела и на некоторой глубине zсвязаны между собой приблизительноэкспоненциальной зависимостью
/>
где /> - коэффициентзатухания (затухание на единицу длины).
Затуханиеультразвуковых колебаний зависит от вида ткани и частоты. Принято считать, чтооно растет пропорционально частоте. УЗ сканеры работают на высоких частотах –от 3 до 15 МГц, поэтому затухание УЗ колебаний имеет большую величину. В табл.1 приведены коэффициенты затухания ультразвука /> в дБ/см для различных тканей исред организма.
Таблица 1. Коэффициентызатухания ультразвука в биологических средах.Ткань
/>, дБ/см Ткань
/>, дБ/см
Сыворотка
Кровь
Жировая ткань
Мозг
Печень
Стенки прямой кишки
0,03
0,09
0,6
0,9
1,0
1,2
Мышцы
Сердечная мышца
Почка
Кожа
Кость
Ткань легкого
0,7 – 1,4
2,0
2,5
3,5
более 8,0
30,0
Из таблицы видно,что затухания ультразвука в кости, и особенно в легких, очень велики. Последнееобстоятельство объясняется обилием в легком альвеол, заполненных воздухом.Поэтому костные структуры, легкие, а также желудок с помощью УЗ сканеров неисследуются. Среднее затухание ультразвука в исследуемых областях рассчитываютна основе эмпирического соотношения аср = 1дБ ´ 1см ´ 1МГц. Пользуясь этим соотношением,найдем, что при глубине локации 20 см на частоте 3 МГц с учетом двойного ходаУЗ луча максимальное затухание составит 120 дБ или />раз.
УЗ колебания,как и световые, подчиняются законам отражения и преломления. Длина волны звуковыхколебаний связана с частотой формулой, общей для вех видов колебаний
/>
Приняв />1500 м/с и f = 3МГц, получим /> мм. Для колебаний стакой длиной волны поверхность объекта с радиусом кривизны в 10 мм можно считать плоскостью.
Наиболеесущественным фактором, определяющим контраст изображения УЗ сканеров, являетсяотражательная способность границ раздела сред и объектов. Отражение УЗколебаний от границы раздела двух сред происходит при различии их волновыхимпедансов. Коэффициент отражения представляет собой отношение интенсивностей(или давлений) падающей и отраженной волн и определяется формулой
/>. (2)
Наряду сполезной ролью отражение УЗ колебаний, как увидим далее, создает проблемы припроектировании датчиков.
2 ПреобразователиУЗ колебаний
Ультразвуковыеколебания в диапазоне частот, который используется для диагностики,возбуждаются и преобразуются в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрическихпреобразователей. Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) представляет собойпластинку, вырезанную из пьезоэлектрика вдоль определенной кристаллографическойоси и покрытую с обеих сторон металлизацией, которая служит электродами(рис.1). Если между гранями пластины приложить силу F, то на ее электродах появятся заряды, а между электродами – разность потенциалов. Если же к ним подвести переменное напряжение U, то пластина будет совершать колебания. Их амплитуда будет максимальной на частоте собственного резонанса пластины, определяемой ее толщиной и механическими свойствами.
F
+ + + +
U
- — — -
F
Рисунок 1. Пьезопреобразователь.
Важнейшимипараметрами ПЭП являются пьезоэлектрический модуль d, представляющий собой отношение заряда на электродах к силе,и коэффициент преобразования механической энергии в электрическую />:
/>; />.
Пьезоэлектрическиематериалы характеризуются также диэлектрической проницаемостью />, модулем упругости,волновым импедансом Z и некоторыми другими параметрами,важными для проектирования ПЭП. Большинство из этих параметров для разныхнаправлений (осей) в пьезокристалле имеет разное значение. Обычно пластинувырезают с такой ориентацией, чтобы получить максимально возможные величины /> и />.
Для ПЭПультразвуковых аппаратов наиболее часто используют синтетические пьезоэлектрикина основе цирконата-титаната свинца ЦТС -19 и ЦТС-23, а также PZT (США). Материал ЦТС представляетсобой твердый раствор цирконата свинца PbZrO3 и титаната свинца PbTiO3. Для придания этой керамике свойств пьезоэлектрика еепомещают в сильное электрическое поле, которое ориентирует отдельныемикроскопические области (кристаллиты) в направлении поля. После его снятияполяризация сохраняется. Одним из первых пьезоэлетриков, применявшихся в УЗтехнике, был кварц, который обладает очень высокой добротностью, но по большинствудругих параметров существенно уступает синтетическим пьезоэлектрикам. В табл. 2приведены важнейшие параметры пьезоэлектриков ЦТС-19 и PZT-4 в сравнении с кварцем.
Таблица ПараметрыпьезоэлектриковПараметры Кварц ЦТС-19 PZT-4
e /e0
К/>
Пьезомодуль, Кл/Н ×10/>
Плотность, кг/м/>
Волновой импеданс (Z/Zволы)
Скорость звука, м/c
5
0,01
2
2650
7,6
5750
1490
0,64
304
7700
14
4000
3400
0,75
593
7500
14,7
4500
Для анализапереходных процессов в ПЭП применяют различные методы: метод дифференциальныхуравнений, четырехполюсника, электрических моделей. Эти методы достаточноподробно изложены в [1] и [2]. В методе четырехполюсникасвязывают входное воздействие и выходную реакцию ПЭП. Ими могут быть различныефизические величины. Например, в режиме излучателя входными величинами будутнапряжение Е и ток I, а выходными – сила F и колебательная скорость v ( рис.2).
/> />
Рисунок 2 Модель ПЭП в видечетырехполюсника
Нагрузкой ПЭПявляется акустическое сопротивление Z/>, которое при глубине локации 50 – 100 мм равно среднему волновому акустическому импедансу «озвучиваемой» среды. Входные и выходныевеличины связаны между собой матричным уравнением
/> = /> /> ( 3)
Коэффициенты /> являютсясложными функциями физических параметров ПЭП. Для малых сигналов ПЭП представляетсобой линейный обратимый четырехполюсник. В режиме приемника I и v изменяют свои направления, а матричное уравнение будет иметьвид
/> = />/> />
Коэффициенты /> и /> связанысоотношениями:
/>/> /> /> />
Пьезопреобразовательможно характеризовать коэффициентами передачи. Например, для режима излучателяэто будет отношение
/>.
Обозначив площадьПЭП через />,запишем />/>//>, а согласно определению />//>. С учетом этих соотношений из уравнения (3) находим
/>.
Коэффициенты /> и /> являютсяфункциями частоты.
Для наглядныхпредставлений часто используют эквивалентную электрическую схему ПЭП. Один извозможных вариантов такой схемы приведен на рис.3. /> />
Рисунок 3. Электрическая модельпьезоэлемента.
Здесь r и L — активное сопротивление и индуктивность внешней цепи(индуктивность может быть и специально включаемой), С/> — емкость между обкладками ПЭП; L/>, С/>, r/> — параметры электрической модели ПЭП, отражающие егомеханические свойства. Вследствие большой диэлектрической проницаемостипьезоэлектриков ЦТС емкость С/>ПЭП даже при его небольшихразмерах может быть сравнительно большой — сотни пФ.
Как видим,электрическая модель ПЭП представляет собой систему связанных контуров, поэтомув ней возможен резонанс на двух частотах. Последовательный контур L/>, C/>, r/>имеет высокую добротность, которая отражает высокуюсобственную механическую добротность пьезокристалла. Однако, как увидим далее,она не должна быть слишком высокой при импульсной локации объектов и ееуменьшают электрическим (включением внешних элементов) и механическим путем(демпфированием).
3.Конструкции и технологии датчиков
Первымидатчиками для универсальных УЗ сканеров были секторные механические датчикикачающегося типа (термин «качающийся» относится к пьезоэлектрическомупреобразователю). Сейчас они постепенно вытесняются электронно-управляемымидатчиками (линейными и конвексными), но по-прежнему применяются и совершенствуются.
Обобщеннаяструктурная схема такого датчика приведена на рис.4. /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Рисунок 4.Структурная схема механического датчика.
Электродвигательможет совершать возвратно-вращательное движение и одностороннее вращение. Взависимости от этого датчик углового положения может иметь различный принципдействия и конструкцию. Преобразователь движения может включать редуктор ипреобразователь вида движения (перевод вращения из одной плоскости в другую, переводвращательного движения в качательное)./> />
Рассмотрим вначале устройствоотдельных узлов датчика, в котором двигатель совершает возвратно-вращательноедвижение. Для этого применяют так называемые моментные двигатели постоянноготока. Они питаются от управляющего устройства, вырабатывающего напряжениеспециальной формы. Упрощенная конструкция и некоторые детали такого двигателяизображены на рис.5
Рисунок 5Моментный двигатель постоянного тока.
Основнымичастями электродвигателя являются статор и ротор (рис. 5, а, б) Статорсобирается из тонких пермаллоевых колец. Обмотка статора состоит из двух секций,которые включаются встречно. Ротор представляет собой постоянный магнит изферрита. При пропускании тока через обмотки статора они создают в сердечнике магнитныепотоки, направленные в разные стороны, поэтому основной поток в сердечникеравен нулю. Но ввиду того, что ширина колец мала по сравнению с их диаметром,образуются потоки рассеяния, сцепленные с обмотками. Получаются как бы двамагнита с одинаково расположенными одноименными полюсами. Взаимодействуя сполями этих магнитов, ротор поворачивается, стремясь занять положение, параллельноеобмоткам. Динамические характеристики механической системы и параметры токавозбуждения (величина, форма, период) согласованы так, что когда роторповернется на угол 90 – 100о от исходного крайнего положения, происходиткоммутация тока в обмотках и начинается его движение в обратную сторону.
Чтобыдвижение было равномерным, необходимо постоянство вращающего момента, а дляэтого в свою очередь требуется постоянство тока в обмотках. В момент коммутациии смены направления вращения возникают броски тока за счет инерционностисистемы управления (рис 6). В некоторых случаях ток может линейно нарастать(штриховая линия на рисунке). Требуемую форму тока обеспечивает специальнаясистема регулирования с обратной связью через датчик угла поворота. Онаучитывает механические и электрические характеристики системы. В режиме Мдолжен быть задан определенный угол поворота пьезопреобразователя. Для этогосистема регулирования с высокой частотой реверсирует ток в обмотках статора,удерживая тем самым ротор в одном положении./> />
Рисунок 6. Форма тока моментногодвигателя.
Броски токадвигателя весьма нежелательны, особенно при пуске датчика. Пусковые токи могутдостигать величин, опасных (несколько ампер) для выходного усилителя системыуправления, питающего двигатель. При сбое системы управления могут одновременновключиться все механические датчики используемого комплекта (как правило, всеони подключены и выбираются с помощью сенсоров). Это может привести к выходуусилителя из строя. На этот случай предусмотрена защита, например, в видеплавкого предохранителя. /> />
На общем валу сэлектродвигателем находится ротор датчика угла поворота (ДУП). Конструкцию ипринцип действия ДУП поясняет рис.7. По сути, он представляет собойдифференциальный трансформаторный датчик перемещения (рис.7, а). Он имеет обмоткувозбуждения w1 и вторичные обмотки w21 и w22,
Рисунок 7.Датчик углового положения трансформаторного типа.
которыевключены встречно. Подвижный сердечник перемещается относительно этих обмоток,при этом ЭДС в них изменяются. В среднем положении сердечника они одинаковы, ивыходной сигнал равен нулю. При смещении сердечника влево или вправо ода из ЭДСувеличивается, а другая уменьшается. Выходной сигнал растет по величине и можетиметь различную фазу в зависимости от положения сердечника (левое или правое).Так как габариты датчика очень маленькие, первичная обмотка возбуждается высокочастотнымтоком (10 – 15 кГц).
На рис 7, бизображена упрощенная конструкция ДУП. Его основными частями являются статор 1из мягкой стали, ротор 2 из немагнитной стали (например, 36НХТЮ) с помещеннойна нем пластинкой 3 из ферромагнетика, каркас 4 с размещенными на нем парамисигнальных катушек 5 и катушкой возбуждения 6. Сигнальные катушки расположеныпарами симметрично относительно центра и имеют сложную форму. Для лучшегопредставления о ней на рис 14, в показан фрагмент каркаса и одна пара катушек.Пары соединяются последовательно, так, чтобы одноименные катушки были включенысогласно (рис.7, г). Катушка возбуждения находится между парами сигнальныхкатушек. При монтаже края ее витков разводят («распушают»). Внутри сигнальныхкатушек закрепляют ферритовые сердечники 7.
За счет«распушивания» катушки возбуждения значительная часть создаваемого еюмагнитного потока ответвляется в статор и попадает в сердечники 7. Перемещениеферромагнитной пластинки 3 вызывает перераспределение магнитных сопротивлениймежду сердечниками 7 и катушками сигнальных пар, изменение их ЭДС ивозникновение сигнала на выходе. Датчик проектируют, а затем регулируют такимобразом, чтобы зависимость величины сигнала от угла поворота была линейной./> />
Передачу вращательного движенияиз одной плоскости в другую осуществляют с помощью пары конических шестеренок. Онивместе с ПЭП находятся в герметичной камере, заполненной иммерсионной жидкостью(рис 8), которая служит для передачи УЗ колебаний. В качестве такой жидкостиобычно применяют касторовое масло.
Рисунок 8.Передача движения на пьезопреобразователь.
Дисковыйпьезопреобразователь находится в оправке, которая закреплена на оси шестеренки.Для подвода импульса возбуждения и съема эхо-сигнала используются гибкиепроводники, которые навиваются на ось. Это исключает их болтание во времякачания ПЭП и продлевает срок службы. Электродвигатель и датчик угловогоположения конструктивно объединяются в моноблок, размещаемый в цилиндрическомкорпусе из легкого металла.
Сложностьсистемы управления датчиком с колебательным двигателем и переходные процессы,возникающие при его реверсе, побуждают разработчиков вновь обратиться кдатчикам с непрерывно вращающимся двигателем. Они применялись и раньше в УЗсканерах аналогового типа. В качестве ДУП в них использовались синусно-косинусныетрансформаторы (СКТ), которые подобно трансформаторному ДУП, рассмотренномувыше, имеют три обмотки. Одна из них – обмотка возбуждения, питаемая ВЧ током,а две другие – синусная и косинусная – дают сигналы, пропорциональные синусу икосинусу угла поворота ротора. В качестве датчиков угла СКТ оказались неудобнымидля современных цифровых УЗ аппаратов.
В датчиках снепрерывным вращением используются стандартные двигатели постоянного тока. Таккак обычно они высокоскоростные, приходится понижать частоту вращения с помощьюредукторов примерно с 3000 об/мин до 300 об/мин. Кроме того, нужен специальныймеханизм для преобразования вращательного движения в колебательное. В такомдатчике перспективно применение ДУП с оптоэлектронными преобразователями.Принцип этих датчиков хорошо известен. Они применяются, например, в «мыши»компьютера для управления положением курсора. Один из возможных вариантовкинематической схемы датчика с односторонне вращающимся двигателем и ДУП оптронноготипа приведен на рис.9.
/> />
Рисунок 9. Датчик содносторонне вращающимся двигателем.
Частотавращения электродвигателя понижается редуктором. Вращение его выходного вала преобразователемдвижения переводится в качательное движение ПЭП. Оптоэлектронный датчикуглового положения состоит из двух дисков 1 и 2, причем диск 1 сидит на общемвалу редуктора и преобразователя движения и, следовательно, вращается, а диск 2неподвижен. Вал проходит через отверстие в его середине.
Болееподробно устройство оптоэлектронного ДУП поясняет рис.10. Измерение угловпроизводится с помощью ИК оптотоэлектронных пар ОП1, ОП2 и ОП3. Излучениеисточников проходит через щели и отверстия, расположенные на дисках. На диске 1по периметру размещены щели (их может быть 128 – 256) и имеется одно отверстие.На диске 2 имеется две группы щелей по 8 –12 в каждой, разнесенные на угол около90о. Для ИК излучения отверстие и щели диска 2 играют роль коллиматоров.Шаг щелей одной группы такой же, как и на диске 1, а шаг другой группынесколько иной. Одна из групп щелей (с меньшим шагом) выполняет роль нониуса ислужит для более точного измерения углов. Метод нониуса широко используется в
/> />
Рисунок 10. Оптоэлектронныйдатчик углового положения.
измерительнойтехнике. Нониусы имеются на штангенциркулях, микрометрах, лимбах металлорежущихстанков. Применяется этот метод и в электронных измерительных приборах.
При сборкедатчика ПЭП устанавливается в определенное начальное положение. Когда впроцессе вращения происходит совпадение отверстий, ИК луч от источника оптопарыОП1 попадает на ее приемник. Возникающий в нем импульс свидетельствует о началедвижения в секторе качания. Одновременно с этим импульсом начинают поступатьимпульсы от оптопар ОП2 и ОП3. Первые из них (по ходу вращения) совпадают вовремени, затем они начинают расходиться и в некоторый момент снова происходитсовпадение. По числу импульсов между первым и вторым совпадением и уточняютвеличину измеряемого угла. С помощью нониуса измерения штангенциркулем можнопроизводить с точностью до 0,1 мм и даже 0,05 мм. В данном случае измерение угла можно производить с точностью, по крайней мере, до половинышага.
Управлениедатчиком с непрерывно вращающимся двигателем намного проще, чем датчиком скачающимся двигателем. Кроме стабилизатора скорости вращения для двигателяпрактически ничего не требуется. Основная сложность при производстве датчиказаключается в изготовлении дисков со щелями и их юстировке (установке нужноговзаимного расположения). Определенные трудности возникают и при проектированиипреобразователя вида движения – вращения в качание. Он должен быть компактным,долговечным, вносить небольшие дополнительные /> />
Рисунок 11. Преобразовательвида движения.
вибрации. Таккак преобразователь в основном располагается в камере с иммерсионной жидкостью,то он должен иметь обтекаемую форму, чтобы испытывать наименьшее сопротивлениеи не создавать завихрений в жидкости при своем движении. Простейшая конструкцияпреобразователя движения предлагается на рис.11.
Передача движенияот вала редуктора на пьезопреобразователь 1 осуществляется с помощью диска 2(водило) через шатун 3 и шарниры 4 (рис 11, а). Так как ПЭП закреплен на оси, тоон совершает качательное движение. Шатун при этом вращается по коническойповерхности и все время проворачивается в шарнирах (рис. 11, б). Этаконструкция, конечно, не отвечает поставленным выше требованиям. На самом делеона значительно сложнее. Основной недостаток датчиков с качающимся ПЭП –неприятные ощущения вибрации, которые испытывает врач. Они накапливаются втечение длительного времени и иногда приводят к развитию синдрома вибраций.Поэтому в некоторых странах такие датчики даже запрещены. Тем не менее,секторные механические датчики в ряде случаев практически незаменимы(внутриполостные применения).
Для точечныхисследований применяют метод пункций. Обычно для этого используют линейные иликонвексные датчики с насадкой в виде иглы, по которой передаются УЗ колебания.