Датчики и ультразвуковая волна

Одним из основных узлов любого ультразвукового диагностического прибора является ультразвуковой преобразователь, который входит в состав датчика, и от которого зависит качество получаемой информации. Эти преобразователи называются трансдьюсерами, они выполняют функцию трансформирования электрической энергии в энергию ультразвука.

Получение ультразвука основывается на обратном пьезоэффекте, суть которого состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам, изготовленным из пьезокерамики) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рисунок 22). С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ультразвуковое поле. Рабочая частота трансдьюсера (резонансная частота) определяется отношением скорости распространения ультразвука в пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента.

Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическом эффекте (рисунок 23). Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик. Обычно в ультразвуковых приборах для излучения и приема ультразвука используются одни и те же элементы.

Рисунок 22 – «Обратный пьезоэлектрический эффект».

Рисунок 23 – «Примой пьезоэлектрический эффект».

Строение пьезоэлемента.

На излучающую поверхность пьезоэлемента и на противоположную (тыльную) поверхность нанесены электроды – тонкие слои токопроводящего металла (как правило, серебра), а к ним припаяны проводки – токопроводы. По ним поступают сигналы возбуждения в режиме излучения и с них же в режиме приема снимаются эхо-сигналы, преобразованные в электрические. От материала и качества изготовления пьезоэлемента, прежде всего, зависит такая характеристика прибора, как чувствительность.

Рисунок 24 – «Ультразвуковой преобразователь».

Строение датчика:

Демпфер. Основное назначение – это частичное смягчение (демпфирование) механических колебаний пьезоэлемента. Он служит для того, чтобы максимально расширить полосу ультразвуковых частот, излучаемых и принимаемых датчиком, что повышает продольную разрешающую способность прибора. Другая функция 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. Это 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 поперечную разрешающую способность. Одновременно акустическая линза выполняет роль протектора – защитного слоя, предохраняющего пьезопреобразователь от повреждений в процессе работы.

Фокусировка линзы выбирается в соответствие с тем, на какой глубине будет проводиться исследование и в каком режиме работы будет проводиться исследование.

Рисунок 25 – «УЗ лучи, формируемые сферическими преобразователями с различными радиусами кривизны».