63911 (Ультразвуковые сканеры)

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ СКАНЕРЫ

Введение

Ультразвуковые аппараты для интроскопии в литературе встречаются под разными названиями: эхоскопы, эхотомоскопы, УЗ сканеры. Первое и второе названия подчеркивают их физическую сущность – отражение УЗ колебаний от границ раздела сред и органов, а второе – форму исследуемой области – сечение. Более емким по смыслу является третье название – оно совмещает физическую и техническую особенности этих аппаратов. На дверях кабинетов для УЗ обследования можно увидеть таблички с надписью «УЗИ». Этой аббревиатурой часто пользуются и пациенты. Ее можно расшифровать как «ультразвуковые исследования» и как «ультразвуковая интроскопия».

2. Физические основы УЗ визуализации

Работа большинства УЗ сканеров основана на явлении отражения ультразвуковых колебаний от границ раздела сред. Важнейшими акустическими параметрами, которые учитываются при проектировании УЗ сканеров, являются скорость распространения звуковых колебаний, волновой импеданс и затухание.

Скорость распространения звука в однородной среде зависит от ее плотности и упругости и определяется формулой

,

где - модуль упругости среды, - плотность.

Величины скорости распространения звука в мягких тканях и жидких средах организма (ликворах) отличаются очень мало и близки к скорости звука в воде - 1540 м/c. Скорость звука в костных тканях изменяется в широких пределах – от 1700 до 2300 м/с.

Волновой акустический импеданс аналогичен волновому сопротивлению длинной линии и представляет собой отношение акустического давления Р к колебательной скорости v частиц среды. Однако эти величины обычно неизвестны. Волновой импеданс можно определить также через скорость звука и плотность среды:

. (1)

Волновой импеданс мягких тканей близок к импедансу воды и составляет примерно 1,5 10 кг/ .

Обобщенной энергетической характеристикой УЗ колебаний, как и физических колебаний любой природы, является интенсивнось I – мощность, приходящаяся на единицу поверхности. При распространении в тканях организма ультразвуковые колебания претерпевают значительное затухание. Интенсивность колебаний на поверхности тела и на некоторой глубине z связаны между собой приблизительно экспоненциальной зависимостью

где - коэффициент затухания (затухание на единицу длины).

Затухание ультразвуковых колебаний зависит от вида ткани и частоты. Принято считать, что оно растет пропорционально частоте. УЗ сканеры работают на высоких частотах – от 3 до 15 МГц, поэтому затухание УЗ колебаний имеет большую величину. В табл. 1 приведены коэффициенты затухания ультразвука в дБ/см для различных тканей и сред организма.

Таблица 1. Коэффициенты затухания ультразвука в биологических средах.

Ткань	, дБ/см	Ткань	, дБ/см
Сыворотка Кровь Жировая ткань Мозг Печень Стенки прямой кишки	0,03 0,09 0,6 0,9 1,0 1,2	Мышцы Сердечная мышца Почка Кожа Кость Ткань легкого	0,7 – 1,4 2,0 2,5 3,5 более 8,0 30,0

Из таблицы видно, что затухания ультразвука в кости, и особенно в легких, очень велики. Последнее обстоятельство объясняется обилием в легком альвеол, заполненных воздухом. Поэтому костные структуры, легкие, а также желудок с помощью УЗ сканеров не исследуются. Среднее затухание ультразвука в исследуемых областях рассчитывают на основе эмпирического соотношения а_ср = 1дБ 1см 1МГц. Пользуясь этим соотношением, найдем, что при глубине локации 20 см на частоте 3 МГц с учетом двойного хода УЗ луча максимальное затухание составит 120 дБ или раз.

УЗ колебания, как и световые, подчиняются законам отражения и преломления. Длина волны звуковых колебаний связана с частотой формулой, общей для вех видов колебаний

Приняв 1500 м/с и f = 3МГц, получим мм. Для колебаний с такой длиной волны поверхность объекта с радиусом кривизны в 10 мм можно считать плоскостью.

Наиболее существенным фактором, определяющим контраст изображения УЗ сканеров, является отражательная способность границ раздела сред и объектов. Отражение УЗ колебаний от границы раздела двух сред происходит при различии их волновых импедансов. Коэффициент отражения представляет собой отношение интенсивностей (или давлений) падающей и отраженной волн и определяется формулой

. (2)

Наряду с полезной ролью отражение УЗ колебаний, как увидим далее, создает проблемы при проектировании датчиков.

2 Преобразователи УЗ колебаний

Ультразвуковые колебания в диапазоне частот, который используется для диагностики, возбуждаются и преобразуются в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрических преобразователей. Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) представляет собой пластинку, вырезанную из пьезоэлектрика вдоль определенной кристаллографической оси и покрытую с обеих сторон металлизацией, которая служит электродами (рис.1).

Если между гранями пластины приложить силу F, то на ее электродах появятся заряды, а между электродами – разность потенциалов. Если же к ним подвести переменное напряжение U, то пластина будет совершать колебания. Их амплитуда будет максимальной на частоте собственного резонанса пластины, определяемой ее толщиной и механическими свойствами.

F + + + + U - - - - F Рисунок 1. Пьезопреобразователь.

Важнейшими параметрами ПЭП являются пьезоэлектрический модуль d, представляющий собой отношение заряда на электродах к силе, и коэффициент преобразования механической энергии в электрическую :

; .

Пьезоэлектрические материалы характеризуются также диэлектрической проницаемостью , модулем упругости, волновым импедансом Z и некоторыми другими параметрами, важными для проектирования ПЭП. Большинство из этих параметров для разных направлений (осей) в пьезокристалле имеет разное значение. Обычно пластину вырезают с такой ориентацией, чтобы получить максимально возможные величины и .

Для ПЭП ультразвуковых аппаратов наиболее часто используют синтетические пьезоэлектрики на основе цирконата-титаната свинца ЦТС -19 и ЦТС-23, а также PZT (США). Материал ЦТС представляет собой твердый раствор цирконата свинца PbZrO₃ и титаната свинца PbTiO₃. Для придания этой керамике свойств пьезоэлектрика ее помещают в сильное электрическое поле, которое ориентирует отдельные микроскопические области (кристаллиты) в направлении поля. После его снятия поляризация сохраняется. Одним из первых пьезоэлетриков, применявшихся в УЗ технике, был кварц, который обладает очень высокой добротностью, но по большинству других параметров существенно уступает синтетическим пьезоэлектрикам. В табл. 2 приведены важнейшие параметры пьезоэлектриков ЦТС-19 и PZT-4 в сравнении с кварцем.

Таблица Параметры пьезоэлектриков

Параметры	Кварц	ЦТС-19	PZT-4
/0 К Пьезомодуль, Кл/Н 10 Плотность, кг/м Волновой импеданс (Z/Zволы) Скорость звука, м/c	5 0,01 2 2650 7,6 5750	1490 0,64 304 7700 14 4000	3400 0,75 593 7500 14,7 4500

Для анализа переходных процессов в ПЭП применяют различные методы : метод дифференциальных уравнений, четырехполюсника , электрических моделей. Эти методы достаточно подробно изложены в [1] и [2]. В методе четырехполюсника связывают входное воздействие и выходную реакцию ПЭП. Ими могут быть различные физические величины. Например, в режиме излучателя входными величинами будут напряжение Е и ток I, а выходными – сила F и колебательная скорость v ( рис.2).

Р исунок 2 Модель ПЭП в виде четырехполюсника

Нагрузкой ПЭП является акустическое сопротивление Z , которое при глубине локации 50 – 100 мм равно среднему волновому акустическому импедансу «озвучиваемой» среды. Входные и выходные величины связаны между собой матричным уравнением

= ( 3)