Ультразвуковые преоб­разователи

Одним из основных узлов любого ультразвукового (УЗ) диагностическо­го прибора является ультразвуковой преобразователь (ultrasound transducer). Он входит в состав датчика, и от него в существенной мере зависит ка­чество получаемой информации.

УЗ - преобразователь выполняет следующие функции:

● преобразует электрические сигна­лы в механические (ультразвуко­вые) колебания с последующим из­лучением их в биологические ткани;

● принимает ультразвуковые эхо-сигналы, отражаемые неоднородностями в биологических тканях, и преобразует эти сигналы в элект­рические для дальнейшего усиле­ния и обработки;

● обеспечивает формирование УЗ - луча требуемой формы как в ре­жиме излучения, так и в режиме приема;

● выполняет сканирование, т.е. пе­ремещение УЗ - луча в обследуе­мой области с помощью специальных переключателей (коммута­торов) и управляющих сигналов.

Многообразие УЗ - преобразовате­лей велико, однако в большинство из них входят одни и те же компоненты (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Ультразвуковой преобразователь

Пьезоэлемент или решетка пьезоэлементов. Изготавливаются из специального материала (обычно пьезокерамики), обладающего свойст­вом пьезоэффекта. Способность пре­образовывать механические (в част­ности ультразвуковые) колебания в электрическое напряжение называет­ся прямым пьезоэффектом. Изме­нение размеров элемента под дейст­вием электрического напряжения и связанная с этим способность преоб­разовывать колебания электрическо­го напряжения в механические (ульт­развуковые) колебания называется обратным пьезоэффектом. Пьезоэлементы преобразуют электричес­кие сигналы, поступающие из элек­тронного блока прибора, в ультразву­ковые сигналы (обратный пьезоэффект). Это происходит при излучении сигналов. В процессе приема эхо-сигналов пьезоэлементы преобразу­ют приходящие к датчику ультразву­ковые сигналы в электрические сиг­налы (прямой пьезоэффект). На излу­чающую поверхность пьезоэлемента и на противоположную (тыльную) по­верхность наносятся электроды - тонкие слои токопроводящего метал­ла (как правило, серебра), а к ним припаиваются проводники - токопроводы. По ним поступают электричес­кие 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. Пьезокерамика, из которой изготавливаются пьезоэле­менты, очень хрупкий материал, по­этому датчики требуют бережного об­ращения. Обычно используется цирконат - титанат свинца (ЦТС).

В современных приборах все чаще находят применение пьезо­элементы, изготовленные из пьезокомпозитов, - материалов, помимо пьезокерамики включающих в свой состав органические наполнители, например пластический материал – поливинилиденфторид (ПВДФ).

Скорость звука в ЦТС составляет приблизительно 4000 м/с; при этом толщина Т пьезоэлемента соответствующая основному резонансу (λ/2) на частоте f, определяется соотношением

Т ≈ 2/ f,

где Т – толщина в миллиметрах; f – частота в мегагерцах.

Например, на частоте 5 МГц мы имеем Т ≈ 0,4 мм.

Волновое сопротивление Z пъезокерамики ЦТС приблизительно в 14 раз превосходит волновое сопротивление воды и мягких биологических тканей, т.е. эквивалентный коэффициент отражения К _ЦТС≈ -1дБ относительно К _идеал. Волновое же сопротивление Z пленки ПВДФ всего в 1,5 раза больше, чем у воды, т.е. К _ПВДФ≈ -14 дБ. Таким образом, эффективность передачи акустической энергии в биологическую ткань при использовании пленочных преобразователей из ПВДФ оказывается значительно выше по сравнению с преобразователями из пьезокерамики ЦТС. Кроме того, преобразователи на основе ПВДФ имеют более низкую механическую добротность Q и, следовательно, являются более широкополосными (имеют более плоскую частотную характеристику) по сравнению с ЦТС, однако у этих преобразователей коэффициент электромеханической связи меньше, чем у пьезокерамических, и поэтому они имеют более низкую чувствительность.

Демпфер. Основное назначение демпфера соответствует его назва­нию - это частичное смягчение (демп­фирование) механических колебаний пьезоэлемента. Делается это для того, чтобы максимально расширить полосу ультразвуковых частот, излучаемых и принимаемых датчиком, что повышает прдольную разрешающую способ­ность прибора. Другая обязанность демпфера - поглощать излучение тыльной стороны пьезоэлемента, т.е. той, которая обратна рабочей стороне, контактирующей с телом пациента. Необходимое механическое демпфирование для снижения добротности частично обеспечивается за счет использования четвертьволнового согласующего слоя, а также посредством такого материала демпфера, волновое сопротивление которого Z _демпф близко к волновому сопротивлению излучающего элемента Z _{изл.элем}. Акустическая энергия, которая излучается в демпфер, должна полностью поглощаться, и акустические волны от торца демпфера не должны отражаться в обратном направлении к излучающему объекту. Для выполнения этого требования в качестве демпфера может использоваться пластифицированная эпоксидная смола, заполненная мелкими рассеивающими частицами, причем демпферу придается определенный профиль. Следует заметить, что собственная механическая добротность пленочных элементов из ПВДФ достаточно низка, поэтому при их использовании для расширения полосы частот нет необходимости в специальном демпфировании.

Согласующие слои. Наносятся на рабочую (излучающую и принимаю­щую сигналы) поверхность пьезоэле­мента поверх электрода. Служат для согласования акустических сопротивлений материала пьезоэлемента и биологических тканей. Хорошее согласование совершенно необходимо для того, чтобы обеспечить передачу с минимальными потерями акустиче­ских (ультразвуковых) сигналов от пьезоэлемента в биологическую сре­ду и наоборот, а следовательно, по­высить чувствительность датчика. В рамках строгой теории, разработанной для непрерывных волн, идеальные значения волнового сопротивления и толщины согласующего слоя определяются выражениями:

Z _согл = (Z _{изл.элем} Z _ткань)^1/2,

T _согл = λ/4.

Подходящим материалом для согласующего слоя является, например, алюминивая пудра в аралдите (Araldite). Толщина такого слоя для излучающего

элемента на частоте 5 МГц будет равна Т ≈ 0,14 мм. Для пленочных элементов из ПВДФ согласующий слой не требуется.

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 разрешаю­щую способность. Одновременно аку­стическая линза выполняет роль протектора - защитного слоя, предохраняющего пьезопреобразователь от повреждений в процессе работы.

Для изготовления УЗ - преобразова­теля используются высококачествен­ные материалы и сложное современ­ное технологическое оборудование. Вот почему УЗ - преобразователи - это дорогие изделия, и в мире можно бук­вально по пальцам пересчитать фир­мы, которые умеют их делать на необ­ходимом уровне.

Поэтому многие производители УЗ - приборов применяют в своих прибо­рах датчики с УЗ - преобразователями, изготовленными специализирован­ными фирмами. Надо сказать, что абсолютное большинство производите­лей УЗ -диагностической техники ис­пользует в своих приборах датчики, которые могут применяться в прибо­рах только этой фирмы, хотя по ос­новным характеристикам датчики различных фирм часто очень близки или просто одинаковы, но отличаются конструкцией, формой, электричес­ким разъемом и т.д.

Несмотря на общие принципы по­строения УЗ - преобразователей, существует большое количество раз­личных конфигураций пьезоэлементов, которые применяются в соответ­ствующих типах датчиков.

Можно выделить следующие основ­ные типы пьезоэлементов (рис. 2.10):

Рис.2.10. Конфигурация пьезоэлементов в различных типах датчиков

● одноэлементный (single element);

● многоэлементная кольцевая решетка (annular array);

● многоэлементные одномерные решетки (multiple elements 1D array):

-линейная (linear);

-конвексная, или выпуклая (convex);

-микроконвексная, или выпук­лая с малым радиусом кривиз­ны (microconvex);

● многоэлементная плоская двух­мерная решетка (2D аггау);

● многоэлементная конвексная двухмерная решетка.

Перечисленные конфигурации ис­пользуются в датчиках, отличающихся между собой видами сканирования.

Дата добавления: 2014-11-29