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
преобразованные в электрические. Материал пьезоэлемента оказывает огромное влияние на качество УЗ преобразователя.
Демпфер. Основное назначение демпфера соответствует его названию - это частичное смягчение (демпфирование) механических колебаний пьезоэлемента.
Делается это для того, чтобы максимально расширить полосу ультразвуковых частот,
излучаемых и принимаемых датчиком, что повышает продольную разрешающую способность прибора. Другая обязанность демпфера - поглощать излучение тыльной стороны пьезоэлемента, т.е. той, которая обратна рабочей стороне, контактирующей с телом пациента.
Согласующие слои. Наносятся на рабочую (излучающую и принимающую сигналы)
поверхность пьезоэлемента поверх электрода. Служат для согласования акустических сопротивлений материала пьезоэлемента и биологических тканей. Хорошее со-
гласование совершенно необходимо для того, чтобы обеспечить передачу с минимальными потерями акустических (ультразвуковых) сигналов от пьезоэлемента в биологическую среду и наоборот, а следовательно, повысить чувствительность датчика.
Акустическая линза. Изготовленная из материала со специально подобранными свойствами, акустическая линза фокусирует УЗ луч, т.е. обеспечивает минимальную ширину луча в определенном диапазоне глубин и, следовательно, улучшает разрешающую способность. Одновременно акустическая линза выполняет роль про-
тектора - защитного слоя, предохраняющего пьезопреобразователь от повреждений в процессе работы, а также защищает пациента от поражения электрическим током. По последней причине крайне важно не допускать трещин в акустической линзе и проверять токи утечки.
4. Основные характеристики УЗ сканеров
Пространственная разрешающая способность (разрешение) - минимальное расстояние между двумя малыми отражающими объектами, при котором, наблюдая изображение на экране, можно их видеть раздельно, т.е. принять решение о наличии двух элементов. Для того чтобы исключить влияние размеров объектов на оценку разрешающей способности, в качестве элементов принимаются точечные отражающие объекты.
На практике для определения минимального расстояния различимости используется классический критерий, при котором полагается, что точечные объекты разрешаются (т.е. воспринимаются раздельно), если в суммарном сигнале от них есть провал (двугорбость). На рис. 1 изображены типичные случаи: а) хорошего
6
разрешения - сигналы от точечных отражателей воспринимаются раздельно; б)
предельного разрешения-сигналы от отражателей воспринимаются раздельно, но при дальнейшем сближении отражателей сигналы от них сливаются, т.е. провал между ними исчезает, и тогда имеет место случай в) разрешения нет.
Применительно к УЗ системам получения изображения следует различать продольную разрешающую способность (longitudinal resolution) и поперечную разрешающую способность (lateral resolution). Продольная разрешающая способность -
точечные отражатели находятся в одном УЗ луче и изменяется их взаимное положение вдоль оси луча.
7
8
Чем выше частота излучения, тем меньше максимальная глубина зондирования.
Поперечная разрешающая способность – точечные отражатели находятся на одной глубине или на линии, перпендикулярной осям УЗ лучей. Для того, чтобы количественно охарактеризовать поперечную разрешающую способность, ее оценивают на половине максимальной глубины, принятой для данной рабочей частоты датчика.
Чувствительность – способность обнаруживать и наблюдать малые элементы структуры на фоне помех и собственных шумов системы.
Динамический диапазон – способность УЗ системы отображать одновременно большие и малые сигналы, передавая различия в их уровне. Количественно отображается отношением максимального сигнала к минимальному, отображаемому системой.
Временная разрешающая способность – способность системы воспринимать и отображать с достаточной скоростью изменение акустических характеристик биологических структур во времени (особенно важно для исследования сосудов в динамике).
Апертура – диаметр преобразователя (в упрощенном виде).
Динамическая фокусировка – способ наблюдать широкий диапазон глубин БО с хорошей разрешающей способностью (изображение остается в фокусе, а не уходит в ближнюю или дальнюю зону). Достигается за счет многоэлементных преобразователей
в датчиках электронного линейного, конвексного и фазированного сканирования, а также при механическом сканировании с помощью кольцевых решеток (изменение апертуры).
Для датчика круглой формы справедлива формула:
9
= 42 – продольная разрешающая способность, где D – апертуара преобразователя
УЗ медицинские инструменты
(то, что курсивом - справочно)
Магнитостри́кция (от лат. strictio — сжатие, натягивание) — явление,
заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются.
Скейлинг – удаление зубных отложений.
Применение ультразвуковых инструментов для удаления зубных отложений и лечебных пародонтологических процедур было, можно сказать, начальной вехой практического использования ультразвука в стоматологии и началом всех дальнейших изысканий на этом пути. Впервые применение ультразвуковых инструментов в стоматологии было связано с попытками механической обработки твердых структур зуба.
В 1955 году Циннер предложил использовать ультразвук для удаления зубных камней.
Первые стоматологические инструменты были изготовлены на основе магнитострикционных ультразвуковых преобразователей. Все последующие разработки этих инструментов дошли до наших дней практически в неизмененном виде, если не учитывать совершенствование материалов применяемых при изготовлении стоматологических наконечников и современных технологий связанных с изготовлением рабочих поверхностей непосредственно самих инструментов.
Магнитострикционный стоматологический инструмент состоит из электронного ультразвукового генератора – источника электромагнитных колебаний с рабочей частотой 20-30 кГц и индукционного преобразователя электрических колебаний в поступательные механические.
Рукоятка преобразователя имеет внутри своей изолированной прослойки один ряд витков катушки индуктивности, в которой возникает переменное электромагнитное поле с частотой генерируемых сигналов получаемых от электронного блока.
Свободно извлекаемый из рукоятки инструмента рабочий стриктор состоит из набора тонких никелевых пластин собранных в единый пакет. Пакетсердечник надежно соединен с толстым металлическим кондестором - накопителем кинетической энергии. Колебательный процесс, возникающий в конденсаторе электромагнитного стриктора, при его работе нужно рассматривать как волновой процесс продольных и
10