4.5. Уз преобразователи диагностических приборов

Преобразователь (рис. 32) входит в состав датчика, определяет качество полученной информации и выполняет следующие функции:

• преобразует электрические сигналы в УЗ колебания и излучает их в биологические ткани;

• принимает УЗ эхо-сигналы и преобразует их в электрические для дальнейшего усиления и обработки;

• обеспечивает формирование УЗ луча требуемой формы в режимах излучения и приема;

• выполняет сканирование, т.е. перемещение УЗ луча с помощью специальных переключателей (коммутаторов) и управляющих сигналов.

Основными составными частями УЗ преобразователя являются (рис. 32):

Рис. 32. Ультразвуковой преобразователь

• пьезоэлемент (пьезокерамика) обладающий способностью преобразовывать УЗ колебания в электрическое напряжение (прямой пьезоэффект) при приеме эхо-сигнала и преобразовывать колебания электрического напряжения в механические (ультразвуковые) колебания (обратный пьезоэффект) при излучении сигнала. Для этого на излучающую поверхность пьезоэлемента и на противоположную накосятся электроды – тонкие слои токопроводящего материала (серебра), к которым припаиваются проводники для подвода и снятия электрических сигналов. Материалом пьезоэлемента является пьезокерамика с включением в нее органических наполнителей;

• демпфер для демпфирования (смягчения) механических колебаний пьезоэлемента с целью максимального расширения полосы частот излучаемых и принимаемых датчиком и для поглощения излучения тыльной стороны пьезоэлемента;

• согласующие слои, наносимые на рабочую поверхность пьезоэлемента поверх электродов, служат для согласования акустических сопротивлений материала пьезоэлемента и биологических тканей, обеспечивая минимальные потери УЗ сигналов при переходе из одной среды в другую;

• акустическая линза фокусирующая УЗ луч, обеспечивая его минимальную ширину в определенном диапазоне глубин, и защищая пьезопреобразователь от повреждений в процессе работы.

Имея общие принципы построения УЗ преобразователи в различных типах датчиков, отличающихся видами сканирования, различаются конфигурацией пьезоэлементов, основные из которых представлены на рис. 33.

Рис. 33. Основные конфигурации ультразвуковых преобразователей

1. Одноэлементный круглый с плоской или сферической поверхностью.

2. Многоэлементная кольцевая решетка.

3. Многоэлементная одномерная линейная решетка.

4. Многоэлементная однокамерная выпуклая (конвексная) решетка.

5. Многоэлементная одномерная выпуклая с малым радиусом кривизны (микроконвексная) решетка.

6. Многоэлементная двухмерная плоская решетка.

7. Многоэлементная выпуклая решетка.

4.6. Типы датчиков

Типы датчиков определяются конфигурацией УЗ преобразователей и способом сканирования. В соответствии с чем различают следующие типы датчиков.

1. Секторные механические датчики с одноэлементыми или многоэлементыми кольцевыми решетками. У этих датчиков защитный колпачок закрывает полость, заполненную акустически прозрачной жидкостью, в которой находится перемещающийся на определенный угол или совершает вращательное движение УЗ преобразователь, излучающий и принимающий УЗ сигналы (рис. 34). Основной характеристикой секторных механических датчиков, кроме рабочей частоты является угловой размер сектора сканирования датчика .

Р ис. 34. Способы механического секторного сканирования : а – с качанием в угловом секторе; б – с круговым вращением

Основными достоинствами таких датчиков являются: возможность использования УЗ преобразователя с высокой частотой (10 МГц и более) и малыми размерами рабочей поверхности. Эти датчики в отличие от других обеспечивают секторное сканирование в диапазоне углов 120 – 360 C.

2. Линейные датчики с многоэлементными линейными решетками. Одной из основных характеристик датчика является апертура, т.е. длина излучающей поверхности УЗ преобразователя. В этих датчиках реализуется линейное электронное сканирование, т.е. угловое направление УЗ луча не меняется, а луч перемещается параллельно самому себе так, что начало луча движется вдоль рабочей поверхности датчика по прямой линии. Зона обзора (изображение на мониторе) имеет вид прямоугольника (рис. 35).

Линейное сканирование производится путем переключения (коммутации) элементов в УЗ преобразователе, имеющим вид одномерной линейной решетки (рис. 35). Если в линейной решетке n элементов, то для формирования одного УЗ луча каждый раз используется только m элементов из общего количества. Подключение их осуществляется специальным коммутатором, входы которого соединены со всеми n элементами решетки, а выходные m каналов соединены с многоканальным приемно-передающим трактом электронного блока прибора. Пусть, например, имеется решетка с комбинацией n = 80, m = 16. Для получения информации, содержащейся в одной акустической строке, коммутатор подключает к приемопередатчику элементы с 1 по 16, на которые подаются электрические импульсные сигналы и которые излучают УЗ импульсы. Эти импульсы имеют одинаковую форму, т.е. эта часть решетки действует как один излучатель, формирующий луч, ось которого проходит через центр «подрешетки», т.е. между 8 и 9 элементами. Сразу после излучения подрешетка переходит в режим приема эхо-сигналов этими же элементами в направлении того же луча.

Рис. 35. Линейное электронное сканирование

В следующем зондировании коммутатор подключает к приемопередатчику элементы с 2 по 17, образую новую «подрешетку». Формируется второй луч, сдвинутый относительно первого на 1 элемент, и после приема эхо-сигнала получается изображение второй акустической строки и т.д. Количество лучей (акустических строк), которые могут быть получены, равно K = n – m = 80 – 16 = 64. При известной длине апертуры L (длины рабочей поверхности) шаг решетки (расстояние между строками) определяющей качество изображения h = L/n. Например, при L = 96 мм, h = 96/80 = 1,2 мм. Линейное сканирование по сравнению с секторным имеет более широкую зону обзора и обеспечивает высокую плотность акустических строк на больших и малых глубинах, а следовательно, более высокое качество изображения.

3. Конвексные датчики имеют зону обзора, определяемую длиной дуги Н и углом сектора сканирования , а иногда радиусом кривизны R (рис. 36).

Рис. 36. Конвексное электронное сканирование

Этот метод сканирования отличается от линейного сканирования тем, что используется УЗ преобразователь в виде конвексной одномерной решетки и зона обзора (изображение на мониторе) получается в виде сектора. Управление сканированием аналогично линейному. Конвексное сканирование сочетает качества линейного и секторного сканирования и является самым распространенным в настоящее время.

Микроконвексное сканирование отличается от рассмотренного величиной радиуса кривизны рабочей поверхности датчика (R =20 – 25 мм). Зона обзора имеет такой же вид, как при секторном механическом сканировании, а способ формирования лучей тот же, что и при конвексном сканировании.

4. Фазированные секторные датчики с многоэлементными линейными решетками. При фазированном сканировании, в отличие от линейного, в каждом зондировании при излучении используются все элементы решетки.

Число элементов обычно от 32 до 64, но может достигать 128.

К каждому из элементов постоянно подключены соответствующие каналы передающего и приемного трактов (рис. 37). Генератор формирует одинаковые по форме, но сдвинутые по времени импульсы, а элементы решетки излучают УЗ сигналы с таким же взаимным сдвигом во времени и формируют фронт волны. УЗ луч получается суммированием в пространстве всех излучаемых решеткой УЗ сигналов и имеет направление перпендикулярное фронту волны. При этом оси всех лучей проходят через центр решетки. Отраженные эхо-сигналы приходят на элементы решетки также со взаимным сдвигом во времени, обусловленным взаимным пространственным расположением элементов и отражающей структуры. Такой же сдвиг будет иметь электрические сигналы в приемном тракте, поступающие от элементов решетки. Для того, чтобы обеспечить прием этих сигналов необходимо устранить их временной сдвиг, что достигается использованием линий задержки в приемных каналах, на выходе которых сигналы будут выровнены по задержке и фазе.

В процессе суммирования выровненных сигналов получается узкий луч, с протяженностью, равной единичному сигналу, с амплитудой равной суммарной амплитуде принятых сигналов, т.е. эхо-сигналы с выбранного направления после суммирования будут превышать уровень сигналов с других ненужных направлений. Таким образом, реализуется направленный прием сигналов.

Рассмотренная процедура соответствует одному направлению излучения и приема луча, характеризующемуся определенным значением задержек. Меняя величины задержек, мы можем изменять направление луча, т.е. производить сканирование.

Рис. 37. Фазированное секторное электронное сканирование

Сканирование называется фазированным, т.к. осуществляется управление задержками и фазами отдельных сигналов.

Фазированное сканирование обеспечивает высокую частоту кадров, что необходимо при исследовании быстро двигающихся структур и одновременную работу в режимах В, М и допплеровском.