Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы, часть 2 (1035678), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Наиболее естественно предположить, что максимальная мощность имеет место в фокусе передающего луча. Это предположение выполняется, если фокус находится на малом расстоянии отдатчика и затухание на пути распространения зондирующего импульса не превышает затуханияхарактерного для мелких тканей. Наиболее критическим с точки зрения безопасности являетсяслучай наблюдения плода через околоплодные воды, затухание ультразвука в которых оченьмало.
Другой критический случай – нахождение в зоне фокуса костной ткани, на границе которой выделяется большое количество энергии вследствие существенно различного акустического импеданса мягких и костных тканей.В допплеровских приборах, когда применяется непрерывный синусоидальный сигнал (врежиме CW – continuous wale), максимальная акустическая мощность может выделяться вближней зоне датчика, т.к. в этой зоне появляются максимумы интенсивности из-за интерференционного характера луча.Напишем выражение, с помощью которого можно вычислить интенсивность ультразвуковой волны на глубине rISPTA = Pu ⋅k 3 (r ) ⋅ τ u.A(r ) TЗдесь Pu - средняя мощность акустического излучения создаваемого датчиком в течениедлительности зондирующего импульса, τ u - эффективная (энергетическая) длительность импульса, Т-период повторения импульсов в заданную область биологических тканей, k3(r) – коэффициент, определяющий степень затухания акустической мощности на глубине r , A(r) – эффективная ширина передающего луча на глубине r.С помощью приведенного выражения, задаваясь допустимым значением ISPTA = 100мВт/см², можно определить максимальное значение мощности Pu макс, которое допускается вкаждом из режимов работы ультразвукового прибора: В-режиме, используемом для получениядвухмерного акустического изображения, М-режиме, который является одномерным (несканирующим) режимом, D-режиме допплеровского измерения спектра скоростей кровотока с непрерывным сигналом (CW) и импульсным сигналом (РW), а также режиме цветового допплеровского картирования (CFM).При известных характеристиках пьезопреобразователя, зная Pu , можно найти амплитудуэлектрического напряжения Uu , поступающего на преобразователь для формирования зондирующего сигнала, из соотношения2Uu⋅ K эа ,Pu макс =2 R пргде R пр - омическое сопротивление преобразователя, K эа - коэффициент преобразования электрической мощности в акустическую в пьезопреобразователе (с учетом потерь насогласование).Рассмотрим несколько числовых примеров, которые сведем в таблицу.
Полагаем приэтом R пр = 25 Ом, а K эа = 0,4.ТаблицаРежим работы (частота)τuТk3(r)A (r)ссдБсмВ(3,5 МГц)10М(3,5 МГц)D (CW)−63⋅10−210−610(4 МГц)непр.D (PW)(3 МГц)2⋅10CFM(3 МГц)− 10Pu макс ВТUuВ0,02600190-200,021800330непр.-50,150,051,8−6-100,020,254,0−2-100,022035−2−625⋅10−62⋅10 ⋅ 163⋅10Приведенные в таблице расчетные значения мощности излучения и амплитуды электрического напряжения при формировании зондирующего импульса не охватывают всего многообразия частот и типов датчиков современной ультразвуковой диагностической системы, однако, характеризуют различия требований при работе в основных рабочих режимах.Из таблицы следует, что наиболее безопасными режимами для пациентов являются В и М,т.к.
именно в этих режимах получается максимальное значение импульсной мощности, котороеудовлетворяет требованиям безопасности, и соответственно максимальное значение амплитудынапряжения импульса, подаваемого на пьезопреобразователь. Реально те значения амплитуд,которые указаны в таблице для режимов В и М не используются, обычно эти амплитуды непревышают величины UU ≈ 100 В.Величину мощности эхо-импульса, принимаемого пъезопреобразователем можно определить из соотношенияk 3 (r ) β ⋅ (r ) ⋅ ,SпрРпр = Pu ⋅k3A(r ) где β – коэффициент отражения акустической мощности от неоднородности биологических тканей, Sпр - эффективная площадь пьезопреобразователя в режиме приема.Часть произведения, выделенная в правой части квадратными скобками, представляет собой интенсивность зондирующего сигнала на неоднородности.
После умножения на коэффициент β получаем интенсивность отраженного сигнала в направлении на датчик, которая затухаетпри приближении к датчику в соответствии с коэффициентом затухания k3(r), практически таким же, как и при распространении зондирующего сигнала.Амплитудное значение напряжения Uп принимаемого эхо-импульса на выходе пьезопреобразователя, т.е. на входе приемного тракта, можно вычислить исходя из равенстваРпр ⋅ К эа =2Un,2R nгде К эа - коэффициент преобразования акустической мощности в электрическую в пьезопреобразователе, Рп - омическое входное сопротивление приемника.Используя приведенные соотношения и данные вышеприведенной таблицы, можно оценить величину мощности принимаемого эхо-импульса Рпр .
Так, в режиме В при Sпр ≈ 0,3 см² иβ = 0,05 и Uu=100 В мощность Рпр = 1,4 Вт.Максимальное значение амплитуды эхо-сигнала в режим В при этом равно Uп ≈ 5 B. Этозначение амплитуды рассчитано в предположении, что Рпр = Рп = 25 Ом, К эа = К аэ = 0,4.На входе приемного тракта уровень напряжения обычно на входе приемного тракта не достигает полученных значений вследствие использования специальных схем защиты входа приемника от высоковольтных зондирующих импульсов. Так, если применяется схема делителя навходе приемника, с включенными параллельно входу кремневыми диодами (см. Рис.) ам-плитуда сигнала на входе приемника не превышает 1 В.Уровень шумов на входе приемного тракта, как было показано выше, может составлять2-3 мкВ.
В современных приборах этот уровень может быть дополнительно снижен.Таким образом, максимальный динамический диапазонвходных сигналов приемноготракта, т.е. отношение максимального уровня полезного сигнала к среднеквадратическомунапряжению шумовDвх =UпрUшможет достигать величины 106 или 120 дБ (как это следует из рассмотренных примеров) идаже более.Диапазон изменения полезных сигналов обусловлен, как уже говорилось, различнымифакторами, основными из которых являются различия акустического сопротивления соседствующих сред и изменение уровня сигналов вследствие затухания в среде затухания ультразвуковых волн. Вследствие первого фактора различие в уровне сигналов может достигать 40÷60дБ, остальное определяется затуханием.
Затухание в среде зависит в существенной мере от глубины, на которой получены эхо-сигналы. Поэтому приемный тракт должен обеспечиватькомпенсацию ослабления эхо-сигналов в зависимости от глубины зондирования. Возможны дваспособа такой компенсации, которая обычно называется временной автоматической регулировкой усиления (ВАРУ). При первом способе усиление в приемном тракте увеличивается вовремени в соответствие с ожидаемым характером ослабления сигналов в среде (см. Рис. ). Приэтом может выбираться тот или иной характер изменения коэффициента усиления Ку от времени. Закон изменения может быть записан в памяти устройства управления и выбор его можетосуществляться по сигналам управления.Второй способ регулировки усиления заключается в независимом изменении характеристик усиления на последовательно размещенных по глубине (и, следовательно, во времени) интервалах.
Эта регулировка может производиться при помощи движковых потенциометров илис помощью цифрового процессора с индикацией на экране монитора.Регулировка с помощью процессора более отвечает современным требованиям и позволяет использовать возможности имеющегося в приборе процессора.Регулировка с помощью движковых потенциометров проста, наглядна и не требует индикации на экране монитора.Логарифмический приемник."Мгновенный" динамический диапазон приемного тракта, т.е. диапазон в каждый данныймомент времени, должен обеспечивать пропускание сигналов с учетом их различия, котороеможет составлять, как уже говорилось, 40÷60 дВ.
При этом желательно обеспечить превышение над собственными шумами минимального из сигналов на 15÷20 дВ, Таким образом,"мгновенный" динамический диапазон приемного тракта относительно собственных шумовдолжен быть не менее 55÷80 дБ. В современных приборах он составляет 90 дВ и более.Динамический диапазон выходных устройств ультразвукового сканера, в частности дисплеев, осуществляющих отображение сигналов, не превышает 35÷40 дБ.
Для согласованиябольшого "мгновенного" динамического диапазона с ограниченным динамическим диапазономвыходных устройств используется "сжатие" динамического диапазона с помощью логарифмического приемника.Логарифмическим такой приемник называется потому, что в нем выходное напряжениеUвых пропорционально логарифму входного напряжения Uвх:U вых = loga U вх .Основание логарифма зависит от конкретной реализации приемника.Известны различные способы создания приемников с такими характеристиками.
Структурная схема наиболее часто используемого варианта построения логарифмического усилителяприведена на Рис.9. Принцип получения логарифмической характеристики состоит в том, чтоусиливаемый радиосигнал поступает на последовательно включенные каскады усиления, навыходе каждого из которых имеется двусторонний ограничитель напряжения и цепь временнойзадержки. Выходные сигналы цепей задержки поступают на сумматор, на выходе которогоформируется выходное напряжение Uвых.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
