Складові системи ультразвукової діагностики генератор ультразвукових хвиль

Фізична основа УЗД - п'єзоелектричний ефект. При деформації монокристалів деяких хімічних сполук (кварц, титанат барію) під впливом ультразвукових хвиль, на поверхні цих кристалів виникають протилежні за знаком електричні заряди - прямий п'єзоелектричний ефект. При подачі на них змінного електричного заряду, в кристалах виникають механічні коливання з випромінюванням ультразвукових хвиль. Таким чином, один і той же п'єзоелемент може бути поперемінно то приймачем, то джерелом ультразвукових хвиль. Ця частина в ультразвукових апаратах називається акустичним перетворювачем, трансдюсера або датчиком.

Ультразвук поширюється в середовищах в вигляді чергуються зон стиснення і розширення речовини. Звукові хвилі, в тому числі і ультразвукові, характеризуються періодом колебанія- часом, за яке молекула (частка) здійснює одне повне коливання; частотой- числом коливань в одиницю часу; дліной- відстанню між точками однієї фази і швидкістю поширення, яка залежить головним чином від пружності і щільності середовища. Довжина хвилі обернено пропорційна її частоті. Чим менше довжина хвиль, тим вище роздільна здатність ультразвукового апарату. У системах медичної ультразвукової діагностики зазвичай використовують частоти від 2 до 10 МГц. Роздільна здатність сучасних ультразвукових апаратів досягає 1-3 мм.

Будь-яке середовище, в тому числі і тканини організму, перешкоджає поширенню ультразвуку, тобто володіє різним акустичним опором, величина якого залежить від їх щільності і швидкості поширення звукових хвиль. Чим вище ці параметри, тим більше акустичний опір. Така загальна характеристика будь-еластичної середовища позначається терміном «акустичний імпеданс».

Досягнувши кордону двох середовищ з різним акустичним опором, пучок ультразвукових хвиль зазнає суттєвих змін: одна його частина продовжує поширюватися в новому середовищі, в тій чи іншій мірі поглощаясь нею, інша - відбивається. Коефіцієнт відображення залежить від різниці величин акустичного опору межують один з одним тканин: чим ця різниця більше, тим більше відображення і, природно, більше амплітуда зареєстрованого сигналу, а значить, тим світліше і яскравіше він буде виглядати на екрані апарату. Повним відбивачем є межа між тканинами і повітрям. [1]

У найпростішому варіанті реалізації метод дозволяє оцінити відстань до кордону поділу щільності двох тіл, грунтуючись на часі проходження хвилі, відбитої від кордону розділу. Більш складні методи дослідження (наприклад, засновані на ефекті Доплера) дозволяють визначити швидкість руху кордону розділу щільності, а також різницю в щільності, які формують рамку.

Ультразвукові коливання при поширенні підкоряються законам геометричній оптики. В однорідному середовищі вони поширюються прямолінійно і з постійною швидкістю. На кордоні різних середовищ з неоднаковою акустичною щільністю частина променів відбивається, а частина заломлюється, продовжуючи прямолінійне поширення. Чим вище градієнт перепаду акустичної щільності граничних середовищ, тим більша частина ультразвукових коливань відбивається. Так як на межі переходу ультразвуку з повітря на шкіру відбувається відображення 99,99% коливань, то при ультразвуковому скануванні пацієнта необхідно змазування поверхні шкіри водним желе, яке виконує роль перехідної середовища. Відображення залежить від кута падіння променя (найбільше при перпендикулярному напрямку) і частоти ультразвукових коливань (при більш високій частоті більша частина відбивається).

Для дослідження органів черевної порожнини і заочеревинного простору, а також порожнини малого таза використовується частота 2,5 - 3,5 МГц, для дослідження щитовидної залози використовується частота 7,5 МГц.

Особливий інтерес в діагностиці викликає використання ефекту Доплера. Суть ефекту полягає в зміні частоти звуку внаслідок відносного руху джерела і приймача звуку. Коли звук відбивається від рухомого об'єкту, частота відбитого сигналу змінюється (відбувається зсув частоти).

При накладенні первинних і відбитих сигналів виникають биття, які прослуховуються за допомогою навушників або гучномовця.

Генератором ультразвукових хвиль є датчик, який одночасно грає роль приймача відображених ехосигналів. Генератор працює в імпульсному режимі, посилаючи близько 1000 імпульсів в секунду. У проміжках між генеруванням ультразвукових хвиль пьезодатчик фіксує відбиті сигнали.

ультразвуковий датчик

В якості детектора або трансдюсора застосовується складний датчик, що складається з декількох сотень дрібних пьезокрісталліческіх перетворювачів, що працюють в однаковому режимі. У датчик вмонтована фокусуються лінза, що дає можливість створити фокус на певній глибині.

види датчиків

Всі ультразвукові датчики поділяються на механічні та електронні. У механічних сканування здійснюється за рахунок руху випромінювача (він або обертається або гойдається). В електронних розгортка проводиться електронним шляхом. Недоліками механічних датчиків є шум, вібрація, вироблені при русі випромінювача, а також значення роздільної здатності. Механічні датчики морально застаріли і в сучасних сканерах не використовуються. Використовуються три типи ультразвукового сканування: лінійне (паралельне), конвексний і секторний. Відповідно датчики або трансдюсори ультразвукових апаратів називаються лінійні, конвексний і секторні. Вибір датчика для кожного дослідження проводиться з урахуванням глибини і характеру положення органу.

лінійні датчики

Лінійні датчики використовують частоту 5-15 МГц. Перевагою лінійного датчика є повна відповідність досліджуваного органу положенню самого трансдюсора на поверхні тіла. Недоліком лінійних датчиків є складність забезпечення в усіх випадках рівномірного прилягання поверхні трансдюсора до шкіри пацієнта, що призводить до викривлення отримуваного зображення по краях. Також лінійні датчики за рахунок більшої частоти дозволяють отримувати зображення досліджуваної зони з високою роздільною здатністю, проте глибина сканування досить мала (не більше 11 см). Використовуються в основному для дослідження поверхнево розташованих структур - щитовидної залози, молочних залоз, невеликих суглобів і м'язів, а також для дослідження судин.

конвексний датчики

Конвексний датчик використовує частоту 1,8-7,5 МГц. Має меншу довжину, тому домогтися рівномірності його прилягання до шкіри пацієнта більш просто. Однак при використанні конвексних датчиків отримується зображення по ширині на кілька сантиметрів більше розмірів самого датчика. Для уточнення анатомічних орієнтирів лікар зобов'язаний враховувати цю невідповідність. За рахунок меншої частоти глибина сканування досягає 20-25 см. Зазвичай використовується для дослідження глибоко розташованих органів - органи черевної порожнини і заочеревинного простору, сечостатевої системи, тазостегнові суглоби.

секторні датчики

Секторний датчик працює на частоті 1,5-5 Мгц. Має ще більше невідповідність між розмірами трансдюсора і одержуваних зображенням, тому використовується переважно в тих випадках, коли необхідно з невеликої ділянки тіла отримати великий огляд на глибині. Найбільш доцільне використання секторного сканування при дослідженні, наприклад, через міжреберні проміжки. Типовим застосуванням секторного датчика є ехокардіографія - дослідження серця.