Датчики

Датчики, используемые в диагностических УЗ системах. Основные

характеристики диагностических УЗ систем.

1)Рассмотреть минимум 3 современных образца определенного в теме исследования типа датчиков (электродов) с указанием их основных характеристик, преимуществ и недостатков, рекомендуемых областей использования, стоимости. В случае, если в рамках рассматриваемой темы существуют различные типы датчиков, желательно рассмотреть образцы всех известных типов.

2)Выявить те характеристики датчиков, которые наиболее существенны при применении датчиков в медицинском приборостроении в зависимости от медико-технических характеристик, выдвигаемых к конечному устройству.

Ультразвук в медицине

Ультразвуковое исследование (УЗИ), или сонография, в медицине является методом неинвазивного исследования человеческого организма с помощью ультразвуковых волн. Применение ультразвука в медицинской диагностике связано с возможностью получения изображения внутренних органов и структур. Собственно, получение изображения можно разделить на две части. Первая – излучение коротких ультразвуковых импульсов,

направленное на исследуемые ткани, и второе – формирование изображения на основе отраженных сигналов.

За многие годы применения данного метода в медицине было разработано множество подвидов ультразвуковых исследований, например:

1.Трехмерное УЗИ – создает 3D изображение в любом ракурсе.

2.Эхоконтрастирование – УЗИ с применением внутривенного контраста,

содержащего микроскопические газовые пузырьки. Отличается повышенной точностью диагностики.

3.Тканевая, или 2-я гармоника (THI) – технология с улучшенным качеством и контрастностью изображения, показана пациентам с избыточным весом.

4.Соноэластография – УЗИ с применением дополнительного фактора – давления, помогающего по характеру сокращения тканей определять патологические изменения.

5.Ультразвуковая томография – методика, аналогичная по информативности КТ и МРТ, но при этом совершенно безвредная.

Собирает объемную информацию с последующей компьютерной обработкой изображения в трех плоскостях.

6.4D-УЗИ – технология с возможностью навигации внутри сосудов и протоков, так называемый «взгляд изнутри». По качеству изображения похоже на эндоскопическое исследование.

Сравнение результатов расчетов показывает, что при интенсивностях ультразвука, используемых в физиотерапии, лишь смещения и сдвиговые усилия, возникающие в градиенте скорости, могут оказывать непосредственное влияние на клетку. Однако в некоторых условиях даже слабые радиационные (постоянно действующие) силы способны обусловить определенные биологические эффекты, например образование сгустков крови в сосудах лягушки и куриного эмбриона.

Интервал интенсивностей ультразвука, применяемого в ветеринарной и биомедицинской практике: от 103 Вт/см2 в поле излучателей диагностических аппаратов, до 104 Вт/см2 в фокальной области фокусирующих излучателей,

используемых для разрушения глубинных структур без повреждения окружающих тканей.

Общепринятый интервал интенсивностей ультразвука, используемый в физиотерапии: 0,05-1 Вт/см2, реже до 2-3 Вт/см2. Подразделяется на три области: малая - (0,05 -1,5) Вт/см2, средняя - (1,5 -3), большая - (3 -10) Вт/см2.

Висключительных случаях, например при лечении болезни Миньера или обеспложивания животных, интенсивности повышают до 10 Вт/см2, При интенсивностях ниже 0,05 Вт/см2 ультразвук практически неэффективен для лечения, а при интенсивностях, превышающих 1 Вт/см2, может вызвать нежелательные эффекты, такие, как подавление физиологических функций организма, перегрев тканей, деструкцию клеток и клеточных органелл.

Вдиагностических целях используют как непрерывный ультразвук низкой интенсивности, так и импульсный ультразвук довольно большой интенсивности, но с короткими импульсами и невысокой частотой их следования.

Взависимости от условий задачи и режима воздействия ультразвук характеризуют либо максимальной в облучаемом объеме (SpacePeak-SP), либо усредненной по пространству (SpaceAverage-SA) интенсивностью.

Аналогично ультразвук характеризуют максимальной при воздействии

(TimePeak-TP) или усредненной по времени (TimeAverage-ТА)

интенсивностью, а также интенсивностью, усредненной по пространству и времени (SATA), максимальной во времени и пространстве (SPTP),

максимальной во времени, усредненной по пространству (SATP) или максимальной по пространству, усредненной по времени (SPTA).

Интенсивностью, усредненной по пространству (ISA), называют величину, измеряемую отношением всей энергии, переносимой за единицу времени через площадку, перпендикулярную распространению волны, ко всей поверхности этой площадки.

Очевидно, что на разных участках площадки интенсивность ультразвука может быть неодинаковой.

Выбор датчика

Для ультразвукового исследования применяется большое количество разных УЗ датчиков. Они отличаются:

•Типом сканирующей поверхности

•Частотой

•Глубиной проникновения

Соответственно при выборе УЗИ датчика мы должны учитывать вид исследования, глубину исследования и режим работы УЗИ сканера.

По элементной базе:

•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

•Электронные - электронных развертка производится электронным путем. Фазированные датчики – датчики с многоэлементными линейными решетками. Аннулярный датчик = многоэлементный.

По типу сканирующей поверхности можно выделить:

•Секторный (секторные фазированные датчики для доплеровского исследования)

•Линейный

•Конвексный (микроконвексный)

•Биплановые Существуют следующие подвиды датчиков:

•1D – одномерный

•2D – двумерный

•3D – объемный (например, конвексный объемный датчик)

•4D – объемный в режиме реального времени По типу приложения к поверхности:

•Поверхностные

•Внутриполостные по области применения делятся на:

1.Вагинальные, ректальные

2.Видеоэндоскопические датчики (сочетают в одном устройстве гастрофиброскоп/бронхофиброскоп и ультразвук)

3.Катетерные датчики

4.Лапароскопические датчики

5.Трнаспищеводные / чреспищеводные

По типу совмещения приемника и излучателя:

•Совмещённые

•Карандашные (слепые CW) датчики для доплеровского исследования

Каждый тип датчика современного УЗИ аппарата имеет ряд

характеристик:

•Частота [МГц] (основная рабочая частота / набор частот для мультичастотного датчика)

•Радиус кривизны сканирующего модуля [мм] (для конвексных и микроконвексных датчиков)

•Длина (габариты) сканирующего модуля [мм] для линейных, секторных и некоторых других датчиков

•Угол поля зрения [градусы]

•Глубина [мм], проникающая способность

•Совместимость с биопсийными наборами

•Перечень совместимых (поддерживаемых) моделей УЗИ аппаратов

•Области применения, режимы и виды УЗИ исследований (совместимые наборы настроек в программном обеспечении УЗИ аппарата)

•Габариты [мм]

•Производитель

Таблица 1 – Сравнительная таблица хар-к разных типов датчиков

Основные типы датчиков

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов

(импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементам коротких электрических импульсов. Продолжительность импульса составляет 1 мкс.

Этот же датчик в перерыве между генерацией волн воспринимает отраженные сигналы и трансформирует их обратно в электрические. То есть за время работы датчик только 0,001 часть времени генерирует УЗ-волны (1мкс), а

оставшиеся 0,999 (999 мкс) –воспринимает отраженные волны (работает как приемник).

Линейный датчик

Линейный датчик – высокочастотный датчик с частотой 5-15 МГц, чаще

7,5 МГц, используется, главным образом, для исследования поверхностно расположенных органов (щитовидной железы, молочной железы,

лимфатических узлов, поверхностных сосудов и т.д.).

Обладает минимальным искажением получаемого изображения,

поскольку положение самого трансдюссера на поверхности тела полностью соответствует размерам исследуемого органа.

Линейные датчики за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высоким разрешением, но ограничены небольшой глубиной сканирования (не более 8-10 см).

Кроме того, недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения равномерного прилегания поверхности трансдьюссера к коже пациента, что часто приводит к появлению воздушных прослоек между кожей и датчиком и, соответственно, помех на получаемом изображении.

Частые неисправности:

•Воздушные пузыри на акустической линзе.

•Проблемы с коннектором.

•Выход из строя пьезоэлементов.