Ультразвуковые датчики (трансдьюсеры, transduser, акустические преобразователи, probe) превращают электрическую энергию в энергию ультразвука при передаче и, наоборот, энергию ультразвука в электрическую энергию при приеме.
Основные составляющие УЗ-датчика. Ряд пьезоэлементов – «решетка, array». Пьезоэлектрические материалы состоят обычно из цирконата свинца (PbZrO3), титаната свинца (РbТiO3), титанатабария (BaTiO3) с кристаллической структурой типа перовскита (СаТiО3) и различными добавками. Рабочая поверхность – апертура. Демпфер – специальный защитный слой, противоположный апертуре, поглощающий энергию. Согласующие слои – слои на рабочей поверхности для уменьшения потери энергии. Фокусирующая линза создает фокус на определённой глубине с динамической фокусировкой.
Применяются электронные датчики, содержащие многоэлементные решётки излучателей с цифровым формированием УЗ-луча 3 типов ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное.
Конвексные датчики (convex / microconvex probe). Диапазон частот – 2,5-5,0 МГц (средняя – 3,5-3,75 МГц). Глубина сканирования до 20-25 см. Применение: органы брюшной полости и забрюшинного пространства, сосуды, органы малого таза, акушерство, педиатрия.
Линейные датчики (linear probe). Размер рабочей поверхности (апертура) – 25-100 мм. Диапазон частот – 5,0-7,5-15,0 МГц. За счет большей частоты позволяют получать изображение высокого разрешения, но глубина сканирования не более 11 см. Применение: поверхностные органы, сосуды шеи, сосуды конечностей, опорно-двигательный аппарат, мягкие ткани.
Секторные датчики (phased array probe). Сектор сканирования - 90 град. Диапазон частот – 2,5-3,0 МГц. Применение: сердце, сосуды мозга, плевральные полости, средостение.
Типы датчиков по применению: универсальные (abdominal probe), датчики для поверхностных органов (small parts probe), кардиологические (cardiac probe), датчики для педиатрии, внутриполостные (intracavitary probe) – ректальный, вагинальный, уретеральный, уретральный, чреспищеводный, внутрисосудистый, внутрисердечный и др., биопсийные (пункционные), эндоскопические, интраоперационные, лапароскопические, узкоспециализированные (офтальмологические, транскраниальные, датчики для синусоскопии и др.), объемные (3D), допплеровские.
Виды ультразвукового исследования: чрескожное УЗИ (трансабдоминальное, трансторакальное, транскраниальное и др.), внутриполостное УЗИ (трансвагинальное, трансректальное, чреспищеводное, интрауретеральное, внутрисосудистое и др.), эндоскопическое УЗИ, лапароскопическое УЗИ, интраоперационное УЗИ.
Виды ультразвуковых сканеров по назначению: универсальные, специализированные (для кардиоваскулярных и внутрисосудистых УЗИ, для УЗДГ, для ЭндоУЗИ, для дерматологии и др.). По конструкции могут быть переносные и передвижные (стационарные) УЗ-сканеры.
Основные характеристики УЗ-сканеров
Пространственная разрешающая способность (разрешение, объем разрешения, resolution volum) – способность воспринимать и отображать объекты раздельно. Определяется минимальным расстоянием между объектами, при котором можно видеть эти объекты раздельно. Предел разрешающей способности (предельное разрешение) – значение, которое нельзя превзойти – равен половине длины волны – объекты воспринимаются раздельно, но при дальнейшем уменьшении разрешения объекты сливаются. Совокупность видов пространственной разрешающей способности – объем разрешения.
Продольная (осевая, аксиальная) разрешающая способность (longitudinal resolution) – способность различать объекты, находящиеся вдоль оси УЗ-луча. Определяется минимальным расстоянием между 2 объектами, расположенными вдоль распространения энергии, которые видны в виде раздельных структур. Зависит от длины волны и частоты – с уменьшением длины волны (увеличением частоты) повышается разрешение, но снижается проникающая способность. Если расстояние между 2 объектами больше длины волны, то они видны раздельно. Если расстояние между 2 объектами меньше длины волны, то они сливаются.
Поперечная (боковая, латеральная) разрешающая способность (lateral resolution) – способность различать объекты, находящиеся поперечно оси УЗ-луча. Определяется минимальным расстоянием между 2 объектами, расположенными перпендикулярно направлению энергии, которые видны в виде раздельных структур. Зависит от ширины луча и плотности лучей. Чем больше плотность лучей, тем лучше поперечное разрешение. Если ширина луча меньше расстояния между 2 объектами, то они видны раздельно. Если ширина луча больше расстояния между 2 объектами, то они сливаются.
Ширина луча ограничена возможностью его фокусировки. Ширина луча большая в ближней зоне (зона перед фокусом), наименьшая – в зоне фокуса и увеличивается в дальней зоне пропорционально увеличению глубины. Поперечное разрешение наилучшее в зоне фокуса и наихудшее в ближней зоне и на максимальной глубине. Ширина луча всегда больше длины волны, поэтому поперечное разрешение всегда хуже продольного.
Разрешающая способность по толщине (сагиттальное (толщинное) разрешение, elevation resolution) – способность различать объекты в толщиннойплоскости – плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования. Минимальное расстояние между 2 точками, расположенными сагиттально к оси луча – характеризуется толщиной среза ткани, представленной на скане. Чем более тонкий срез, тем лучше толщинное разрешение.
Временная разрешающая способность (Frame rate) - способность воспринимать и отображать с достаточной скоростью изменение акустических характеристик. Зависит от максимальной частоты кадров, которую может обеспечивать сканер. Зависит от быстродействия процессора.
Допплеровская разрешающая способность - включает контрастное разрешение для детекции частиц крови в потоке, а также для адекватного спектрального разрешения.
Чувствительность - способность обнаруживать малые элементы структуры на фоне помех. Определяет максимальную глубину, на которой обеспечивается уровень полезных сигналов. Количественно определяется величиной минимального сигнала, который может быть выделен на фоне шумов.
Динамический диапазон (Dynamic Range) - способность одновременно отображать малые и большие сигналы, передавая различие в их уровне. Чем больше динамический диапазон, тем больше информации отражается на экране. Количественно определяется отношением амплитуды максимального сигнала к амплитуде минимального сигнала, отображаемому системой. минимальным сигналом является сигнал, превышающий порог чувствительности. Максимальным является сигнал, изменения которого на входе приводят к изменениям яркости сигнала на экране.
Контрастная разрешающая способность - способность передавать минимальные различия в интенсивности отраженных сигналов. Информация об амплитуде (мощности) сигнала отражается в яркости пикселей дисплея. Чем больше амплитуда, тем более яркой будет соответствующая точка дисплея.
Формирование и обработка УЗ-луча
Сигналы от датчика через коммутатор поступают в формирователь луча, который связан с передатчиком и приемником. Передатчик генерирует импульсы и передает их на формирователь луча. Приемник получает от формирователя сигналы, усиливает их и передает на станконвертер (beam former). Общее усиление приемника меняется с помощью регулятора Gain. Усиление по зонам глубины регулируется TGC(Time Gain Control) или DGC (Depth Gain Compensation) – происходит компенсация затухания в различных зонах в зависимости от свойств обследуемой области - чем больше глубина, тем больше усиление. Приемник также регулирует динамический диапазон. Типичный динамический диапазон сигналов на входе приемника – 120 дБ (т.е. амплитуда максимального сигнала в 1 млн. раз больше минимального). В то же время динамический диапазон сигналов на выходе (которые могут одновременно отражаться на экране) составляет 35-40 дБ. В приемнике производится сжатие динамического диапазона, за счет чего уменьшается различие между сигналами.
Фокусировка УЗ-луча
УЗ-волны, излучаемые датчиком, имеют очень малую длину волны, вначале они идут параллельно, а затем расходятся. Для уменьшения степени расхождения луча используются акустические линзы, создающие фокусную зону. Точка на центральной оси УЗ-луча, где его ширина минимальная, называется фокусом. Зона, где УЗ-луч совпадает с идеальным лучом и разрешающая способность максимальная, называется зоной фокуса. Расстояние между датчиком и зоной фокуса – называется фокусным расстоянием.
Зона от датчика до фокуса – ближняя зона. В ближней зоне ширина УЗ-луча соответствует апертуре датчика и уменьшается к фокусу – разрешающая способность повышается. Зона за фокусом – дальняя зона. В дальней зоне ширина УЗ-луча увеличивается с увеличением глубины – разрешающая способность снижается. С помощью электронной фокусировки фокусное расстояние можно изменять с панели прибора. Динамическая фокусировка – изображение составляется из нескольких фокальных зон со своим фокусом, и эти зоны последовательно меняются.
Автор - Иогансен Юрий Александрович, врач УЗД, кандидат медицинских наук