ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Разновидности датчиков для УЗИ аппаратов

Физические и технические основы ультразвукового исследования и принципы ультразвуковой диагностики

Звук — это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находится в той же плоскости, что и направление распространения энергии. Верхняя граница слышимого звука — 20000 Гц. Звук с частотой, превышающей эту величину, называется ультразвуком. Частота — это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду. Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц — это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. В современных ультразвуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше.

Для получения ультразвука используются специальные преобразователи - датчики или трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте.

Датчиком УЗ сканера (по-английски Probe) называют выносное устройство, которое служит для локации объекта УЗ колебаниями и приема и преобразования в электрические импульсы отраженных звуковых сигналов (эхо). Датчик содержит один или несколько пьезоэлементов и другие механические и электрические компоненты, тип которых зависит от назначения датчика

Рисунок 1. Устройство одномерного УЗ датчика.

В металлическом корпусе 1 расположен пьезоэлемент 2, который снаружи покрыт согласующим слоем 3. С тыльной стороны пьезоэлемента расположен демпфер 4 – слой пористой керамики, предназначенный для гашения звуковых колебаний, излучаемых назад, и для получения коротких УЗ импульсов. Возбуждение и съем сигнала с ПЭП осуществляется через коаксиальный разъем. Для уменьшения зарядного тока ПЭП и формирования зондирующего импульса в его цепь включают индуктивность 5 – дроссель.

Чтобы пьезопреобразователь работал на частоте собственного механического резонанса, его толщину выбирают равной половине длины волны возникающих в нем звуковых колебаний. Например, при частоте 3 МГц толщина пьезоэлемента будет равна 0,67 мм.

Зондирование таким датчиком осуществляется путем непосредственного контакта с поверхностью тела. При этом неизбежны потери мощности УЗ колебаний из-за отражения. Для его уменьшения и служит согласующий слой. При его отсутствии вследствие большого различия волновых импедансов пьезоэлектрика и мягких тканей коэффициент отражения был бы равен 0,87, т.е. лишь 13% излучаемой энергии проходило бы в ткани

Для исключения отражений необходимо, чтобы волновой импеданс согласующего слоя Z был равен среднегеометрической величине волновых импедансов ZП и ZТ пьезоэлектрика и тканей:

Например, волновой импеданс ZС согласующего слоя для пьезоэлемента из ЦТС-19 будет равен примерно 3,7 Zводы (с учетом того, что ZТ Zводы). Толщина согласующего слоя берется равной четверти длины волны в мягких тканях, в данном случае 0,25 мм.

Различные способы отображения (визуализации) УЗ эхо-сигналов называются эхограммами. Простейшей из них является А-эхограмма. Она получается при локации объекта одномерным датчиком вдоль какого-либо направления и представляет собой некоторую кривую на экране ЭЛТ. Механизм получения А-эхограммы поясняет рис. 2.

Рисунок 2. А – эхограмма

Датчик

Объект

Эхо

А-эхограммы имеют ограниченное самостоятельное применение. Более распространена М-эхограмма, название которой происходит от английского словосочетания motion-time – движение-время. Этот вид эхограммы используют для исследования подвижных объектов, в основном сердца. Ее сущность поясняет рис. 3.

Рис. 3. М-эхограмма

Кроме стенок миокарда УЗ луч отражают и другие отделы сердца, и результирующая М-эхограмма получается очень сложной. Опытный врач-кардиолог может извлечь из нее много полезной информации: размеры сердца в разных стадиях (показано на рисунке), характер движения стенок и клапанов и многое другое. Описанный механизм получения М-эхограммы характерен для аналоговых УЗ сканеров. В цифровых сканерах он выглядит несколько иначе. Учитывая большую диагностическую информативность М-эхограммы, ее обязательно включают в набор режимов современных УЗ аппаратов.

Основным способом 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 двухмерных датчиков, которые различаются по способу сканирования – с механическим и электронным управлением и по виду получаемого изображения (растра) – секторные и линейные.

Датчики с механическим управлением дают только секторные изображения, а датчики с электронным управлением – могут давать изображения в секторном и прямоугольном растрах. Долгое время секторные механические датчики оставались основным типом датчиков УЗ сканеров. Они проще в изготовлении и имеют меньшую стоимость, чем линейные. Последние стали широко применяться, когда были разработаны способы управления, позволившие существенно улучшить качество изображения.

Для адекватного воспроизведения УЗ изображения на экране монитора необходимо знать точное угловое положение пьезоэлемента. Оно определяется с помощью специального датчика углового положения, который входит в состав УЗ датчика. Определенную проблему для разработчиков УЗ сканеров создает малая частота качаний пьезоэлемента. В аналоговых моделях УЗ аппаратов это приводило к мерцанию изображения на экране, ухудшало его восприятие и утомляло зрение. В цифровых аппаратах при той же частоте качаний пьезоэлемента этот недостаток отсутствует.

Основу линейного датчика составляет многоэлементная пьезорешетка, или матрица. Она состоит из большого числа пьезоэлементов (от 50 до 300), разделенных между собой слоем изоляции.

Ввиду малости апертуры элемента решетки (d) его УЗ луч будет сильно расходящимся, а мощность излучения – чрезвычайно малой. Поэтому объект сканируют группой из n элементов, которую называют апертурой датчика.

Апертура датчика обычно содержит от 16 до 32 элементов. С помощью электронных средств управления – ключей и сдвигающих регистров – осуществляют перемещение результирующего луча вдоль решетки. На каждом шаге апертура датчика излучает УЗ колебания и принимает эхо-сигналы, т.е. формирует строку УЗ изображения.

Общее количество таких строк равно Nстр = N – n + 1, где N – число элементов пьезорешетки. Например, чтобы получить 256 строк УЗ изображения при n = 32, необходимо N = 287. Заметим, что некоторые фирмы (Toshiba), производящие УЗ аппаратуру, применяют сканирование с чередующимся числом n элементов апертуры, например 48 – 47. Тем самым получают шаг сканирования, равный d/2, т.е. увеличивают число строк вдвое по сравнению с числом элементов. Разумеется, для этого требуются более сложные аппаратные (и программные) средства.

Широко применяются так называемые конвексные датчики. Они занимают промежуточное положение между секторными и линейными датчиками. Их пьезорешетка, как и у линейных, содержит большое (хотя и меньшее) количество элементов, но она изогнута в виде дуги. Это позволяет, с одной стороны, организовать управляемую фокусировку луча, а с другой – получить веерный растр. Поэтому конвексный датчик при относительно малых размерах позволяет получить большое поле обзора при хорошем качестве изображения.

Кроме рассмотренных выше типов эхограмм в УЗ диагностике иногда применяют С-эхограммы. Их получают путем фронтального сканирования объекта, в результате чего строится изображение сечения на определенной глубине. Сканирование обычно выполняют вручную, а сама процедура требует специальных приспособлений: ванна с водой, куда помещается пациент, механический датчик координат и др. Разумеется, аппаратура для С-сканирования должна быть цифровой, с памятью.

Разновидности датчиков для УЗИ аппаратов

Датчик – одна из важнейших частей УЗИ аппарата. Именно от датчика зависит, какие органы и на какой глубине могут быть исследованы. Так, например, датчик, предназначенный для мелких животных, будет недостаточно мощным для исследования органов крупных животных и наоборот

Линейные датчики. Рабочая частота 5-15 МГц. Глубина сканирования небольшая (до 10 см). За счет высокой частоты сигнала позволяют получать изображение с высоким разрешением. Линейные УЗИ датчики могут использоваться для исследовании поверхностно расположенных органов, мышц и небольших суставов, сосудов.

Конвексные датчики. Рабочая частота 2-7,5 МГц. Глубина сканирования - до 25 см. Изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров датчика. Для определения точных анатомических ориентиров специалист должен учитывать эту особенность. Конвексные датчики используются для сканирования глубоко расположенных органов: брюшная полость, мочеполовая система

Секторные датчики. Рабочая частота 1,5-5 МГц. Используется в случаях, когда нужно с небольшого участка получить большой обзор на глубине. Используется для исследования межреберных промежутков, сердца

Внутриполостные датчики. Внутриполосные датчики. Вагинальные (кривизна 10-14 мм), ректальные, либо ректально-вагинальные (кривизна 8-10 мм). Предназначены для исследований и области гинекологии, урологии, акушерства

Биплановые датчики. Состоят из двух совмещенных излучателей. Конвекс + конвекс, либо линейка + конвекс. Позволяют получать изображения как в поперечном, так и в продольном срезе. Помимо биплановых, существуют трех-плановые датчики с одновременным выводом изображений со всех излучателей.

3D/4D объемные датчики. Механические датчики с кольцевым вращением, либо угловым качением. Позволяют проводить автоматическое посрезовое сканирование органов, после чего данные преобразуются сканером в трехмерную картинку. 4D – трехмерное изображение в реальном времени. Возможен просмотр всех срезовых изображений

Матричные. Датчики с двумерной решеткой. Делятся на:

· 1.5D (полуторомерные). Количество элементов по ширине решетки меньше, чем по длине. Это обеспечивает максимальное разрешение по толщине.

· 2D (двумерные). Решетка представляет собой прямоугольник с большим количеством элементов по длине и ширине. Позволяют получать 4D изображение, одновременно выводить на экран несколько проекций и срезов.

Карандашные (слепые CW) датчики. Датчики с раздельным приёмником и излучателем. Используются для артерий, вен конечностей и шеи - 4-8 МГц, сердца - 2 МГц.