Материал: Лекция 6

Лекция 6.

Основные функции и характеристики ультразвуковых преобразователей

! Очень хорошая и понятная книга по УЗ медицинским методам исследования: Л. В.

Осипов. Ультразвуковые диагностические приборы. Практическое руководство для пользователей. М. : Видар, 1999 г.

1. Физические основы УЗИ

Физическая основа большинства ультразвуковых преобразователей (УЗП) —

пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды — прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн – обратный пьезоэлектрический эффект1. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приемником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем (трансдьюсер = и приемник, и излучатель).

Ультразвуковая волна (как любая звуковая волна) распространяется в среде в виде чередующихся зон сжатия и расширения молекул вещества, которые совершают колебательные движения. Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются

прямолинейно и с постоянной скоростью (в среднем 1540 м/с). На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение.

Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином акустический «импеданс»:

= , где

– плотность среды V – скорость звука в рассматриваемой среде

Скорость звука в тканях принята постоянной (1540м/с), различаются же различные

ткани по величине акустического сопротивления.

1 Не путать с тензоэффектом - свойством материалов изменять при деформации свое электрическое

сопротивление.

1

Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается. Коэффициент отражения зависит от:

1.разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей:

чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда

зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на

экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом. На границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды

2.Угла падения (наибольшее при перпендикулярном направлении)

3.Частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

Чем меньше длина УЗ волны, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.

2. Ультразвуковые преобразователи

УЗП - сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллов,

работающих в одинаковом режиме. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине. Идеальный датчик должен быть эффективен как излучатель и чувствителен как приемник, иметь хорошие характеристики излучаемых им импульсов со строго определенными показателями, а

также принимать широкий диапазон частот, отраженных от исследуемых тканей.

Классификация датчиков:

1.По элементной базе

a.Механические - сканирование осуществляется за счет движения излучателя

(он или вращается или качается). Недостатки: шум, вибрация,

производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение.

Морально устарели и в современных УЗИ сканерах не используются

2

b.Электронные - электронных развертка производится электронным путем.

Фазированные датчики – датчики с многоэлементыми линейными решетками. Аннулярный датчик = многоэлементный.

2.По типу УЗ сканирования:

a.Линейные (параллельные)

Частота 5-15 Мгц.

Преимущества: 1) полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдьюсора на поверхности тела. 2) за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 10 см)

Недостаток: сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям.

Применение: в исследование поверхностно расположенных структур -

щитовидной железы, молочных желез, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.

(формат изображения)

b. Конвексные

Частота 2,5-7,5МГц.

Преимущества: меньшая длина, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто.

Недостатки: получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие.

Глубина сканирования: 20-25 см. Применение: Секторные исследования глубоко расположенных органов - органы брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренные суставы

3

(формат получаемого изображения)

c. Секторные

Частоте 1,5-5 Мгц. Имеет еще большее несоответствие между размерами трансдюсора 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. Типичным применением секторного датчика является эхокардиография (эхокардиоскопия)2 - исследование сердца.

(темным фоном выделены зоны с лучшим разрешением)

3. По области исследования:

Трансвагинальные датчики (секторного или микроконвексного типа) имеют угол обзора от 90 до 270° и рабочую частоту от 5 до 7,5 МГц. У биплановых трансвагинальных датчиков плоскости сканирования расположены под прямым углом друг к другу.

Трансректальные датчики (секторные, микроконвексные, биплановые) применяются в основном для диагностики простатита. Рабочая частота таких датчиков – 7,5 МГц.

Интраоперационные датчики вводятся в операционное поле. В зависимости от формы и расположения рабочей поверхности относительно кабеля различают датчики

I-типа и T-типа. К интраоперационным относятся конвексные датчики, одеваемые на

2 Не путать с фонокардиографией – запись звуков, генерируемых при работе сердца

4

палец, нейрохирургические и лапароскопические датчики (жесткие или гибкие).

Рабочая частота – 7,5 МГц.

Чрезпищеводные датчики используются для наблюдения сердца со стороны пищевода. Такой датчик сканирует по принципу гибкого эндоскопа. Применяется секторное фазированное или конвексное сканирование. Рабочая частота – 5 МГц.

Внутрисосудистые датчики используются для инвазивного обследования сосудов;

офтальмологические – для получения изображения внутренних структур глаза

(используется секторное или конвексное сканирование глаза. Рабочая частота – 10

МГц и более; угол сканирования – 30–45°).

Датчики для транскриниальных исследований применяются для обследования мозга через кости черепа. Рабочая частота – 1 или 2 МГц.

Пример интраоперационного датчика:

3. Устройство УЗП

На поверхности (излучающую и тыльную) пьезоэлемента наносятся электроды - тонкие слои токопроводящего металла (как правило, серебра), а к ним припаиваются проводники - токопроводы. По ним поступают электрические сигналы возбуждения в режиме излучения и с них же в режиме приема снимаются эхо-сигналы,

5