4. Электроакустические преобразователи, применяемые в медицинской акустической аппаратуре

В медицинских и биологических приложениях электроакустические преобразователи используются в различных областях: для получения диагностической информации от пациента; измерения акустических параметров тканей и других сред; измерения акустических полей, которыми могут облучаться живые клетки и ткани, в том числе и ткани пациентов. Существенное внимание при этом уделяется вопросам дозиметрии, т. е. выявлению связи возможных биологических изменений с физическими параметрами воздействия.

Ультразвук не воспринимается непосредственно органами чувств человека. Это означает, что необходимо использование какого-либо физического эффекта, чтобы можно было выявить действие ультразвука. При этом совершенно очевидны удобства тех процессов, которые непосредственно приводят к электрическому сигналу.

Среди различных физических эффектов, на которых может основываться принцип действия преобразователя, наибольшее распространение получил пьезоэлектрический эффект, так как устройства на его основе непосредственно преобразуют акустический сигнал в электрический, и наоборот. В связи с этим именно пьезоэлектрические преобразователи, применяемые в медико-биологической акустической аппаратуре, будут рассмотрены в этой главе.

4.1. Общая характеристикапьезопреобразователей, используемых в медико-биологической аппаратуре

При выборе типа и размеров преобразователей важными являются требования обеспечения широкой полосы пропускания при малых потерях электроакустического преобразования и узкой характеристики направленности при необходимых скорости и законе сканирования.

В акустической медицинской аппаратуре используются преобразователи с механическим и с электрическим сканированием характеристик направленности. Рабочие частоты преобразователей определяются их функциональным назначением. Диапазон рабочих частот имеет ширину от нескольких сотен килогерц до нескольких гигагерц. Например, для ультразвуковой диагностики внутренних органов человека используются рабочие частоты от нескольких сотен килогерц до нескольких мегагерц, в офтальмологии – до нескольких десятков мегагерц, а в ультразвуковой микроскопии – до нескольких гигагерц. В устройствах механического сканирования характеристика направленности преобразователя определяется геометрическими размерами, формой активной поверхности и частотным спектром преобразуемых сигналов, а сканирование осуществляется путем механического линейного или углового перемещения самого преобразователя. Для электрического сканирования, т. е. для управления положением ультразвукового луча электрическими сигналами, используются многоэлементные матрицы электроакустических преобразователей, которые иногда называют ультразвуковыми антенными решетками. Элементами этих ультразвуковых решеток являются миниатюрные электроакустические преобразователи, геометрические размеры активных поверхностей которых в направлении сканирования бывают значительно меньше или соизмеримы с длиной волны излучаемых или принимаемых сигналов.

Н

Рис. 4.1. Обобщенная схема электроакустического преобразователя

а рис. 4.1 представлена обобщенная схема электроакустического преобразователя, в которой использованы следующие обозначения: 1 – исследуемая среда; 2 – пьезоэлемент; 3 – демпфер; 4, 5 – системы переходных слоев.

В реальных конструкциях преобразователей, особенно в многоэлементных антенных решетках, чаще всего используется только один переходный слой (между активным элементом и исследуемой средой), а демпфер непосредственно контактирует с другой поверхностью этого пьезоэлемента. Иногда применяются преобразователи без переходных слоев, а также без демпфера.

В

Рис. 4.2. Пьезоэлементы, совершающие продольные колебания параллельно вектору электрического поля: а – по толщине; б – по длине; в – по длине перпендикулярно вектору электрического поля

медицинской акустической аппаратуре используются пьезоэлементы, различающиеся материалом и типом возбуждаемых колебаний. Так, например, в устройствах механического сканирования применяются пьезоэлементы в виде пластинок, которые совершают продольные колебания по толщине параллельно вектору электрического поля. В ультразвуковых антенных решетках применяются пьзоэлементы, колебания которых в зависимости от конструкции решетки могут возбуждаться как параллельно, так и перпендикулярно вектору электрического поля. Разновидности часто используемых элементов показаны на рис. 4.2. На рисунке заштрихованы металлизированные поверхности (электроды). Величиной обозначен геометрический размер, определяющий резонансную частоту возбуждаемых колебаний. Стрелками показаны направления распространения акустических волн, излучаемых пьезоэлементами. Следует отметить, что активные поверхности пьезоэлементов могут быть самой различной формы (прямоугольные, круглые, овальные и т. д.).

На рис. 4.3 показаны основные элементы типичной конструкции одноэлементного преобразователя (1 – электрический соединитель, 2 – экранированный пластмассовый корпус, 3 – элемент настройки, 4 – демпфер, 5 – пьезоэлемент заданной формы, 6 – согласующий слой). Пьезоэлемент такого преобразователя изготавливается из пьезокерамики (например, ЦТС) или пластического материала ПВДФ (поливинилиденфторид). На переднюю и заднюю поверхности элемента напыляются проводящие электроды из серебра, после чего он поляризуется по толщине в постоянном электрическом поле.

В

Рис. 4.3. Типичная конструкция стандартного одноэлементного ультразвукового преобразователя

олновое сопротивление пьезокерамики в 14–15 раз превосходит волновое сопротивление воды и мягких биологических тканей. Волновое же сопротивление пленки ПВДФ всего в 1,5 раза больше, чем у воды. Следовательно, эффективность передачи акустической энергии в биологическую ткань при использовании пленочных преобразователей из ПВДФ оказывается существенно выше по сравнению с использованием преобразователей из пьезокерамики. Кроме того, преобразователи на основе ПВДФ имеют более низкую механическую добротность, а следовательно, являются более широкополосными (имеют более плоскую частотную характеристику), однако у этих преобразователей коэффициент электромеханической связи меньше, чем у пьезокерамических, и поэтому их чувствительность ниже.

Иногда для получения фокусированного ультразвукового излучения используются специальные фокусирующие преобразователи. Это делается с целью повышения разрешающей способности, чувствительности, точности определения координат и размеров неоднородностей. Ультразвуковое излучение можно фокусировать различными способами. Рассмотрим в качестве примеров некоторые из них [5].

Активные концентраторы. Представляют собой изогнутые пьезоэлементы, имеющие форму части сферы или цилиндра (рис. 4.3 и 4.4, а). Фокусное расстояние таких концентраторов F равно их радиусу кривизны R, радиус зрачка a связан с фокусным расстоянием через угол раскрытия фронта формулой .

Рефракторы. Их выполняют в виде линзы, преобразующей плоскую волну в сходящуюся (рис. 4.4, б). Линзы могут иметь вогнутую или выпуклую поверхность, что зависит от соотношения скоростей ультразвука в среде и материале линзы (их отношение называют показателем преломления).

Рефлекторы. Представляют собой отражатели, преобразуют плоскую волну в сходящуюся. На рис. 4.4, в показано применение рефлектора в качестве криволинейного зеркала в призме. Здесь сходящийся фронт формируется одновременно с поворотом луча.

Рис. 4.4. Фокусирующие преобразователи: а – с искривленным пьезоэлементом; б – с линзой; в – с зеркалом

Дифлекторы. Это зональные пластинки, состоящие из чередующихся акустически прозрачных и непрозрачных колец [5], [6]. Принцип действия зональной пластинки можно объяснить, исходя из представления о зонах Френеля. На рис. 4.5, а изображены волновые фронты, распространяющиеся из точечного источника. Если пересечь их плоскостью А – А, то пересечения с этой плоскостью волновых поверхностей, различающихся по фазе на 0,5, будут иметь вид концентрических окружностей (рис. 4.5, б). Радиусы этих окружностей, как это видно из рис. 4.5, а, будут возрастать по закону

Рис. 4.5. Волновые фронты: а – распространяющиеся от точечного источника и окружности; б – разграничивающие на плоскости А – А зоны Френеля

,

где r – расстояние от источника до плоскости; n – номер окружности; – ее радиус;  – длина волны. Эти окружности разграничивают на плоскости А – А зоны Френеля, которые отличаются тем свойством, что фазы колебаний распространяющейся от нашего источника волны будут менять свой знак при переходе через границу двух зон. Если теперь в плоскости А – А закрыть непрозрачными экранами все зоны, имеющие одинаковый знак, например все четные, то оставшиеся зоны одного знака создадут за плоскостью плоскую волну (рис. 4.6), распространяющуюся вправо. Наоборот, в силу взаимности, если на экран будет падать плоская волна, то за экраном мы получим сходящуюся сферическую волну с центром, находящимся на расстоянии r от плоскости экрана. Все элементы плоской волны, прошедшие через прозрачные зоны экрана, будут приходить в некоторую точку на оси с фазой одного знака.

Т

Рис. 4.6. Зональная пластинка

аким образом, экран с вырезами обладает свойством фокусирования. Он называется зональной пластинкой. Описанный способ фокусировки используется в преобразователях для увеличения амплитуды сигнала. Это достигается разделением пьезопластины на кольца, соответствующие зонам Френеля (например, глубокими бороздками), и подачей на электроды четных и нечетных колец электрических напряжений в противофазе.

Использование согласующего покрытия (согласующего слоя) позволяет в какой-то мере скомпенсировать уже упоминавшееся ранее различие в волновых сопротивлениях пьезокерамики и биологической ткани, вследствие чего можно повысить эффективность преобразования электрической энергии в акустическую. Для непрерывного режима в рамках строгой теории получены соотношения для волнового сопротивления и толщины согласующего слоя :

где – волновые сопротивления излучающего элемента и исследуемой ткани соответственно.

^{Для пленочных элементов из ПВДФ согласующий слой не требуется.}

^{В эхоимпульсных системах визуализации применяются короткие акустические импульсы. Чтобы достичь широкой полосы пропускания, при которой обеспечивается формирование короткого импульса, необходимо использовать механическое демпфирование пьезопластинки материалами с большим активным акустическим сопротивлением. Чисто активное входное акустическое сопротивление демпфера получается только тогда, когда исключается влияние ультразвуковых волн, отраженных от другого его конца. Поэтому при небольших размерах демпфера требуется, чтобы его материал имел большой коэффициент поглощения.}

^{Выбирая соответствующий материал демпфера, можно обеспечить оптимальное соотношение между шириной полосы частот и чувствительностью. Часто для этой цели используется эпоксидная смола с наполнителем из вольфрамового порошка, что позволяет достигать} . ^{Часто демпферу придается определенный профиль, что способствует ликвидации сигналов, которые могли бы от тыльного торца демпфера отразиться в обратном направлении. Следует отметить, что собственная механическая добротность пленочных элементов из ПВДФ довольно низка, поэтому при их использовании для расширения полосы частот нет необходимости в специальном демпфировании.}

^{Иногда требуется получить максимальную эффективность преобразования (высокую добротность). В этом случае влияние тыльной нагрузки должно быть минимальным, поэтому в качестве материала демпфера используется просто воздух, т. е. демпфер отсутствует.}

^{Одним из важных элементов конструкции преобразователя является его корпус. Он должен быть электрически экранирован и акустически "развязан" от излучающего элемента (в противном случае динамический диапазон преобразователя будет снижаться либо из-за акустического "звона", либо под влиянием электрических помех). Для этой цели можно использовать пластмассовый корпус с экранирующим слоем или металлический корпус с акустической изоляцией от излучающего элемента.}

^{Говоря о конструкциях современных преобразователей, применяемых в биомедицине, нельзя не отметить, что рассмотренные одноэлементные преобразователи применяются все реже. На смену им пришли многоэлементные системы, причем основные принципы их конструирования остались теми же, что и у одноэлементных преобразователей. В простейшем случае, когда требуется использовать режим непрерывного излучения (как в доплеровских системах), применяются два раздельных элемента для излучения и приема акустических волн. В эхоимпульсных системах визуализации решетка из большого числа пьезоэлементов позволяет с помощью электронной схемы формировать (и быстро видоизменять) характеристику направленности и/или фокусировать пучок, а также осуществлять быстрое электронное сканирование акустического пучка в линейном направлении или по углу. Для этих целей разработано множество различных по конструкции пьезоэлементов, позволяющих сформировать требуемое распределение поля. Общие принципы формирования, фокусировки, линейного и углового сканирования пучка будут рассмотрены в последующих разделах пособия. Там же будут приведены и некоторые конструкции многоэлементных систем.}