Понятие о фокусировке

Фокусировка УЗ луча

В этом разделе рассказывается об очень важных характеристиках УЗ - си­стем. Несмотря на некоторую слож­ность понимания принципов фокуси­ровки, ясное представление о них должен иметь каждый специалист, ра­ботающий с УЗ - прибором.

Выше уже говорилось, что поперечная разрешающая способность УЗ -диагностической системы и, сле­довательно, качество изображения зависят от ширины УЗ - луча. Луч, фор­мируемый плоским одноэлементным преобразователем, имеет вид, пока­занный на рис. 4.13. Точка F на цент­ральной оси луча, где ширина луча минимальна, называется фокусом. Зона от поверхности преобразовате­ля до фокуса называется ближней. Зона далее фокуса соответственно называется дальней. Ширина луча в ближней зоне практически такая же, как размер D преобразователя. Луч в дальней зоне имеет форму конуса с вершиной в центре преобразователя.

Рис. 4.13. УЗ - луч, формируемый плоским преобразователем

Напоминаем, что, говоря о форме луча, мы имеем в виду, что границы луча, изображенные на рис. 4.13 обыч­но проводятся по некоторому опреде­ленному уровню мощности сигнала. Это означает, что мощность сигнала в любой точке внутри луча отличается от максимальной, измеряемой на оси, не более чем на определенную величину (например на 50%). За пределами лу­ча сигнал имеет меньший уровень.

Размер УЗ - преобразователя, как правило, находится в пределах от 7 до 25 мм (для датчиков с малой частотой размер больше, чем для датчиков с большей частотой). Соответственно тот же размер имеет ширина УЗ - луча в ближней зоне. По этой причине по­перечная разрешающая способность в ближней зоне очень плохая: попе­речный размер элемента изображе­ния 7-25 мм совершенно не годится для получения качественной картины.

В зоне фокуса F и в дальней зоне угловая ширина луча α определяется величиной ~ λ/D, где ~ λ - длина волны УЗ - колебаний, D - размер преобразо­вателя.

Размер D выбирается таким обра­зом, чтобы обеспечить по возможнос­ти малую угловую ширину луча α. Од­нако, если преобразователь плоский, то фокус F расположен далеко и боль­шую часть глубины исследования занимает ближняя зона с широким лу­чом и плохой поперечной разрешаю­щей способностью.

Все сказанное относится не только к одноэлементным УЗ - преобразова­телям, но и ко многоэлементным пре­образователям, которые используют­ся в датчиках с линейным, конвексным и фазированным сканировани­ем. С ними также нельзя получить хорошую поперечную разрешающую способность в ближней зоне, если не предпринимать специальные меры.

Вследствие указанных причин в УЗ - диагностических системах приме­няется фокусировка УЗ - луча. Прин­цип фокусировки проще пояснить на примере одноэлементного преобразо­вателя. Если вместо плоской формы придать поверхности преобразователя сферическую форму, то фокус F при­близится к поверхности преобразова­теля (рис. 4.14,а). Фокус будет распола­гаться тем ближе, чем меньше радиус кривизны R сферической поверхности преобразователя. Рис. 4.14,б и 4.14,в иллюстрируют сказанное. Чем меньше радиус кривизны, тем меньше глубина ближней зоны с плохой поперечной разрешающей способностью и тем меньше шириналуча в зоне фокуса.

Однако в сфокусированных преоб­разователях появляется свой недо­статок - на определенной глубине дальше фокуса ширина УЗ - луча начи­нает резко увеличиваться (луч «расхо­дится»), и поперечная разрешающая способность опять начинает ухуд­шаться.

Если преобразователи с различ­ным радиусом кривизны имеют оди­наковый размер D и работают на од­ной и той же частоте f, то на глубинах возле фокуса и в дальней зоне (до тех пор пока луч не начинает резко расхо­диться) границы УЗ - луча практически совпадают с поверхностью конуса, вершина которого находится в центре преобразователя, а угол при вершине α = λ/D. Конус, границы которого обо­значены на рис. 4.13 и 4.14 пунктиром, является «идеальным лучом» для пре­образователя данного размера D. При любом радиусе кривизны преоб­разователя соответствующий ему луч в лучшем случае может совпадать с идеальным, но не может быть уже.

Зона, в которой луч практически совпадает с идеальным лучом, огра­ниченная по глубине интервалом L (рис. 14), называется зоной фокуса. Чем меньше радиус кривизны R, тем меньше протяженность зоны фокуса L (сравним, например, рис. 4. 14,а и 4.14,в).

Имеет место прямая аналогия с известными в оптике закономернос­тями, характерными для фокусирую­щих оптических устройств, например увеличительных стекол. Большинству людей из личного опыта известно, что существует вполне определенный ог­раниченный диапазон глубин для увеличительного стекла (например, сте­кла очков для дальнозорких), в кото­ром обеспечивается хорошая чет­кость изображения. На очень близких расстояниях (в ближней зоне) и на дальних расстояниях (за пределами зоны фокуса) четкостьизображения ухудшается. При этом чем больше увеличение (ближе фокус), тем мень­ше зона фокуса.

Если сравнить между собой форму УЗ - лучей в зоне фокуса при различ­ной величине радиуса кривизны (рис. 4.14,а - 4.14,в), то можно отметить, что наилучшую поперечную разреша­ющую способность обеспечивает пре­образователь с малым радиусом кри­визны R (рис. 4.14,в). Глубина ближней зоны в нем невелика, и зона фокуса также мала, вследствие чего с помо­щью такого преобразователя можно исследовать биологические ткани только на малых глубинах. С помощью преобразователя, представленного на рис.4.14,б, хорошо наблюдать средние глубины, а преобразователь, пред­ставленный на рис. 4.14,а, удобно ис­пользовать для получения информа­ции о глубоко расположенных тканях.

Рис. 4.14. УЗ - лучи, формируемые сферичес­кими преобразователями

с различными ра­диусами кривизны

На начальных этапах развития УЗ - диагностических систем, когда в основном использовалось механическое секторное сканирование, в ряде сис­тем применялись датчики с различны­ми фокусными расстояниями: корот­кофокусные (рис. 4.14,в) - для малых глубин, среднефокусные (рис. 4.14,б) -для средних глубин и длиннофокусные (рис. 4.14,а) - для больших глубин. В за­висимости от глубины расположения органов и тканей, интересующих вра­ча-диагноста, применялся тот или иной датчик. Конечно, это было не очень удобно, так как приходилось ча­сто менять датчики.

Поэтому вскоре появились сек­торные датчики, в которых на одном роторе находилось три преобразова­теля с разными фокусами, переклю­чавшимися в зависимости от нужного диапазона глубин по желанию врача. На рис.15,а показан датчик с тремя преобразователями, каждый из кото­рых сфокусирован на различную глу­бину и имеет соответственно фокусы F ₁, F ₂ или F ₃. В зависимости от того, какой диапазон глубин интересен врачу, можно подключать тот или иной преобразователь, не меняя дат­чик. В зоне фокусировки преобразо­вателя качество изображения высо­кое, а заее пределами качество сни­жается. Наличие нескольких преобра­зователей в одном датчике и их элек­тронное переключение сделало воз­можным получение высококачествен­ного изображения во всем диапазоне глубин с помощью так называемой динамической фокусировки.

Рис. 4.15. Фокусировка в датчике с секторным механическим

сканированием и тремя разно-фокусными преобразователями:

а - форма лучей; б - вид составного изображения при

динамической фокусировке

Дата добавления: 2014-11-29