5.3. Структура сканирующих устройств

^{В общем случае ультразвуковые сканирующие устройства представляют собой совокупность электроакустических, электромеханических и электронных элементов, которые одновременно выполняют функции электроакустических преобразователей и акустических антенн, концентрирующих излучаемую акустическую энергию в узком луче вдоль заданного направления и осуществляющих пространственную селекцию эхосигналов по этому же направлению. Кроме того, с помощью сканирующих устройств осуществляется акустический контакт между преобразователем и объектом исследования, усиление эхосигналов и согласование их с устройствами обработки и отображения информации. При минимальных затратах энергии, массогабаритных параметрах и сложности управления сканирующие устройства должны отвечать высоким требованиям к обеспечению пространственной направ­ленности и скорости сканирования. Размеры области ультразвукового обзора, частота сканирования, возможность динамического управления параметрами луча также являются очень важными факторами.}

^{Сканирующие устройства, существующие в настоящее время, можно подразделить на две группы: с механическим и с электрическим управлением изменения направления луча. Вне зависимости от способа управления сканирующие устройства делятся по виду сканирования; по функциональному назначению; по способу создания акустического контакта с исследуемым объектом; по конструктивным признакам (например, портативные или стационарные) и т. д.}

^{В сканирующих устройствах с механическим управлением направлением луча используется механический или электромеханический привод изменения положения электроакустического преобразователя относительно излучаемого объекта. Для надежного акустического контакта при этом используются специальный гель или минеральные масла. Иногда для этой цели применяют дополнительную промежуточную среду – воду. В механических сканирующих устройствах обязательно используется блок формирования координатных сигналов, которые характеризуют пространственное направление ультразвукового луча при сканировании. Координатные сигналы в дальнейшем используются для формирования эхоизображений и измерения их топологических параметров. В связи с этим необходимо добиваться высокой точности соответствия направления луча параметрам координатных сигналов, которые формируются в сканирующем устройстве. Преобразователи для устройств с механическим приводом управления направлением луча имеют рабочую апертуру в несколько десятков длин волн ультразвука в рабочей среде. Благодаря этому достигается высокая пространственная концентрация акустической энергии при сканировании и обеспечивается хорошее пространственное разрешение при визуализации, не зависящие от углового направления.}

^{Сканирующие устройства с электрическим управлением направлением ультразвукового луча характеризуются отсутствием в конструкции устройства каких-либо механизмов. Формирование луча, изменение его направления в пространстве и формирование координатных сигналов осуществляется электрическим путем. Для этого в электрических сканирующих устройствах применяются соизмеримые с длиной волны в исследуемой среде пьезоэлементы, которые группируются в линейные решетки или матрицы. В таких многоэлементных преобразователях управление лучом осуществляется двумя основными способами: фазированием многоканальной системы излучения и приема и коммутацией каналов. Соответственно с этим подобные устройства делятся на фазируемые и коммутируемые, т. е. с фазированными и коммутируемыми матрицами или решетками пьезоэлементов. Названные устройства должны содержать в своем составе элементы, позволяющие управлять лучом, например электрически управляемые линии задержки сигналов, электронные коммутаторы каналов и схемы управления. В сканирующих устройствах с электрическим приводом формирование управляющих сигналов, как правило, совмещается с формированием координатных сигналов. Это позволяет обеспечить высокую точность формирования эхоизображений и упрощает конструкцию сканирующих устройств. Однако многоканальные устройства более чувствительны к погрешностям управления, нарушению идентичности характеристик каналов и т. д., что приводит к необходимости применения в их составе высокостабильных функциональных узлов усложненных структуры и конструкции. Кроме того, необходимо выполнять жесткие требования, связанные с точностью изготовления пьезопреобразователей, которые используются в электрически управляемых матрицах. Это особенно сказывается в мегагерцевом диапазоне частот. С другой стороны, сканирующие устройства с электрическим управлением обеспечивают значительно более высокую скорость сканирования чем механические устройства, а возможность гибкого управления лучом позволяет достигать относительного постоянства разрешающей способности в значительной области ультразвукового обзора.}

^{В сканирующих устройствах с электрическим управлением могут применяться различные виды обработки сигналов: аддитивная обработка с электрической фокусировкой ультразвукового луча на излучение и прием; мультипликативная обработка эхосигнала; динамическая фокусировка ультразвукового луча в приемном режиме. Обобщенные схемы передающей и приемной цепей сканирующего устройства, реализующих все эти виды обработки сигналов, представлены на рис. 5.8. Здесь обозначены: 1 – матрица пьезоэлементов, 2 – формирующий распределитель, 3 – генератор возбуждения, 4 – синфазные сумматоры, 5 – умножитель, 6 – интегратор.}

Рис. 5.8. Обобщенная структура цепей сканирующего устройства с электрически управляемой матрицей пьезопреобразователей: а – передающей; б – приемной

^{Аддитивная обработка предполагает синфазное суммирование сигналов, излучаемых и принимаемых элементами матрицы, при формировании и сканировании ультразвуковым лучом. В режиме излучения импульсов этот процесс для определенного направления осуществляется естественным путем (за счет интерференции волн). В режиме приема эхосигналы, принятые отдельными элементами матрицы, суммируются соответствующей электрической схемой. Если в цепи, которая соединяет элементы матрицы с источником возбуждения и сумматором, включить линии задержки переменной длины (уменьшающейся от центра к краю матрицы), то возможна фокусировка ультразвукового луча на излучение и прием соответственно. При непрерывном изменении длин линий задержки в процессе приема эхосигнала может быть реализован режим динамической фокусировки ультразвукового луча (рис. 5.9).}

Рис. 5.9. Динамическая фокусировка ультразвукового луча матрицы пьезоэлементов: D, N, d – апертура, число элементов и шаг матрицы соответственно; r₁, r₂, r₃ – фокусные расстояния;  – управляемые фокусирующие линии задержки

^Н

Рис. 5.10. Формирование характеристики направленности приемного устройства при мультипликативной обработке эхосигналов

а рис. 5.10 показано формирование характеристики направленности приемного устройства при мультипликативной обработке эхосигналов. Здесь использованы следующие обозначения: ^{1 и 2 – отдельные сегменты электроакустического преобразователя, сигналы от которых перемножаются; }_р – угол раскрыва характеристики направленности одного сегмента; ^_м – угол раскрыва характеристики направленности электроакустического преобразователя при мультипликативной обработке сигналов. Эхосигналы, которые приняты, например, с двух сегментов матрицы, могут быть перемножены и проинтегрированы, в результате че­го реализуется мультипликативная обработка, обеспечивающая также сужение результирующей ха­рак­теристики направленности прием­ного устройства. Поскольку муль­типликативная обработка пред­полагает интегрирование сигналов, она обеспечивает также и повышение помехоустойчивости сканирующих систем.

^{Важными характеристиками сканирующего устройства являются динамический диапазон сигналов и отношение сигнал/шум для минимального сигнала. В связи с этим необходимо подчеркнуть большую значимость хорошего согласования сканирующего устройства с исследуемой средой и с электронным приемно-передающим трактом ультразвуковых эхоскопических систем. Нарушение согласования приводит к появлению реверберационных помех, значительно ухудшающих отношение сигнал/шум.}