5.5. Устройства электрического сканирования

^{Рассмотренные ультразвуковые устройства механического сканирования довольно дешевы и имеют относительно простую конструкцию. Несмотря на это в настоящее время их вытесняют более сложные ультразвуковые преобразователи с электрическим сканированием луча. Это вызвано следующими причинами:}

^{1) электрические системы управления обеспечивают значительно большие возможности фокусировки и сканирования ультразвукового луча;}

^{2) наблюдается постоянное снижение цен на интегральную электронику, что благоприятствует развитию систем с электрическим сканированием луча;}

^{3) электрически управляемые ультразвуковые преобразователи не требуют применения иммерсионных сред акустического согласования преобразовательных элементов с рабочей средой, обеспечивают высокую скорость сканирования, надежность и долговечность эксплуатации.}

^{Сканирующие устройства с электрическим управлением движения луча делятся на две основные группы: с фазированием и коммутацией пьезоэлементов матрицы. Устройства с фазированной матрицей пьезопреобразователей применяют только для секторного сканирования, а с коммутируемой – для линейного, секторного, веерного и радиального видов ультразвукового сканирования.}

5.5.1. Фазированные матрицы пьезопреобразователей

^Ф

Рис. 5.17. Обобщенная структура сканирующего устройства на основе фазированной матрицы: 1 – матрица пьезоэлементов; 2 – фазирующие цепи; 3 – передающий и приемный каналы; 4 – управляющие цепи; 5 – дисплей; 6 – объект исследования; 7 – волновой фронт; R, R' – ультразвуковые лучи;  – угловая переменная

азированная матрица представляет собой линейную антенную решетку полосковых пьезоэлементов, имеющих слабо выраженную направленность в плоскости сканирования луча. Число первичных пьезоэлементов может достигать нескольких десятков. Все они расположены эквидистантно в одной плоскости с шагом меньше длины волны. Зазоры, разделяющие пьезоэлементы, обеспечивают акустическую развязку отдельных элементов между собой. Для согласования со средой и расширения полосы пропускания рабочая поверхность матрицы покрывается слоем согласующего материала, ^{тыльная сторона – демп­фером. Электрическое уп­рав­ление движением луча, формируемого матрицей, осуществляется при помощи фазирующего устройства (рис. 5.17). Это устройство обеспечивает введение соответствующих задержек в излучающие и приемные цепи отдельных пьезоэлементов матрицы, в результате чего создается требуемое амплитудно-фазовое распределение сигналов на апертуре матрицы, которое вызывает фокусировку и отклонение ультразвукового луча в пределах заданного сектора сканирования. Линейные размеры фазированной решетки не оказывают существенного влияния на величину сектора сканирования, следовательно, их можно сделать довольно малыми. Длина подобной решетки обычно составляет 1–4 см, шири­на – 1–2 см. Это позволяет использовать такие устройства в труднодоступных для создания надежного акустического контакта местах (исследование сердца через межреберное пространство, внутриполостные исследования).}

^В

Рис. 5.18. Схемы включения фазирующих цепей: а – последовательного; б – параллельного; в – смешанного типов

ультразвуковой эхоскопии используются короткие сигналы. Их пространственная протяженность не превосходит размеров апертуры матриц. Этим обусловливаются особые требования к динамическим характеристикам и диапазону варьирования времени задержки сигналов. В фазирующих цепях исключается возможность "сброса" (уменьшения) сдвига фазы между сигналами на целое число периодов, как это практикуется в системах радио- и гидролокации, где длительность зондирующих импульсов и эхосигналов составляет десятки и сотни периодов частоты заполнения. В данном случае фазирующие устройства должны полностью компенсировать фазовые сдвиги. Для этого необходимы временные задержки сигналов, превышающие период частоты заполнения. Кроме того, задерживающие цепи должны обладать необходимой полосой пропускания, потери в них должны быть минимальными, чтобы при обработке сигналов вносить минимальные искажения. Фазирующие устройства ультразвуковых антенных решеток могут быть построены по последовательной, параллельной и смешанной схемам (рис. 5.18). При последовательной схеме пьезоэлементы решетки подключаются через идентичные звенья задержки к одной линии приема-передачи. При сканировании ультразвуковым лучом задержка сигналов во всех звеньях должна изменяться в определенных пределах и одинаково. Это свидетельствует о простоте схемы. Однако последовательное включение задерживающих цепей приводит к неравномерному распределению амплитуды сигналов вдоль апертуры решетки, ошибки в задержке отдельного звена начинают влиять на все последующие звенья фазирующего устройства.

^{В этом отношении лучшими свойствами обладает параллельная схема. Здесь через каждое задерживающее звено проходят сигналы только одного преобразователя решетки. В этой схеме, однако, диапазон варьирования задержки в каждом звене должен быть разным, причем для достижения необходимого угла сканирования требуется значительно большее число задерживающих звеньев. Ошибки управления в этом случае сказываются в меньшей степени, так как они влияют на работу только отдельных пьезопреобразователей решетки.}

^{Смешанная схема является сочетанием двух рассмотренных ранее. Число последовательно включенных задерживающих звеньев здесь меньше, чем в последовательной схеме; их использование позволяет значительно снизить диапазон необходимых задержек, которые должны обеспечить параллельно включенные звенья. Уменьшение числа последовательно включенных задерживающих звеньев снижает роль ошибок управления, что имеет важное значение, особенно при большом числе пьезопреобразователей в антенной решетке.}

^{При построении фазирующих цепей наиболее широкое распространение получили многоотводные линии задержки с электронной коммутацией отводов. Применение в качестве фазирующих устройств электрически управляе­мых линий задержки с необходимой полосой пропускания позволяет процесс обработки сигналов сделать практически не зависящим от их длительности и тем самым не ограничивает возможность повышения разрешающей способ­ности эхоскопов. Однако наличие в составе схем фазирования большого числа широкополосных линий задержки значительно усложняет конструкцию преобразователей с фазированными матрицами.}