Как устроен и работает ультразвуковой датчик

Высокая функциональность сканеров ультразвуковой диагностики во многом обеспечивается датчиками, которыми комплектуется данное оборудование. Сейчас познакомимся более подробно с тем, что представляют собой данные аксессуары, каких видов они бывают. Рассмотрим принцип работы ультразвукового датчика разных типов. Представленная информация позволят вам максимально подробно сориентироваться в разнообразии доступных решений, а также выбрать соответствующее оснащение именно для вашего диагностического оборудования.

Что представляет собой ультразвуковой датчик

Прежде, чем переходить к знакомству с устройством ультразвукового датчика необходимо понимать, что представляет собой данный аксессуар. Это устройство, способное генерировать ультразвуковые волны. Они будут проходить через ткани человека как эхо-сигналы, отражаясь от внутренних структур. Этот же самый датчик будет и улавливать их, передавать на компьютер. В итоге на мониторе будет формироваться изображение, получившее название эхограмма.

В основе каждого ультразвукового датчика лежит пьезоэлектрический кристалл, который генерирует и принимает ультразвуковые волны под воздействием электрического напряжения. В качестве материала долгое время (более 40 лет) использовался один и тот же пьезоэлектрик. Совсем недавно на рынке появилась новая технология ультразвуковых датчиков, использующая монокристалл. Отсюда и пошло ее название — монокристаллические. В результате качество получаемого изображения стало более высоким.

Чтобы улучшить проникновение ультразвукового луча и его дополнительную фокусировку непосредственно между кристаллической матрицей датчика и телом пациента предусмотрены дополнительные согласующие материалы. Это как слой самого датчика, его акустическая линза, так и специальный гель, который наносятся на кожу. Специалисты рекомендуют особое внимание уделять выбору этого геля, ориентируясь на рекомендации производителя самого датчика.

Дело в том, что составы, представленные сегодня на рынке, отличаются между собой физическими характеристиками. Если вы подберете неправильный гель, то это может привести к чрезмерному нагреву пьезокристаллической матрицы, а также других согласующих слоев. Все это может оказать дополнительную нагрузку на электронные блоки сканера, в которых формируется высокое напряжение и усиление обратного сигнала. Все это может привести к снижению точности диагностики, а также преждевременному выходу оборудования из строя. Экономия на покупке низкокачественного геля также может привести к электрическим травмам пациента либо же врача-диагноста под воздействием повышенного напряжения.

Основные разновидности ультразвуковых датчиков

На современном рынке медицинского оборудования ультразвуковые датчики представлены различными модификациями. Они отличаются между собой расположением пьезоэлектрических кристаллов, размером контактной площадки (апертуры), частотой. В зависимости от своего строения датчики УЗИ могут иметь разную область применения. Благодаря этому на практике удается получать изображение разных структур человеческого организма в максимально высоком качестве, что повышает точность диагностики. В зависимости от области применения такие аксессуары могут быть внешними и полостными. Первые применяются для использования на поверхности тела, в то время как при помощи вторых выполняют внутренние исследования, в частности урологические, гинекологические и пр.

На сегодня на практике наибольшее применение получили 4 разновидности ультразвуковых датчиков:

1. Линейные.
2. Конвексные.
3. Секторные фазированные.
4. Гинекологические.

Рассмотрим более подробно каждую из категорий аксессуаров.

Линейные датчики

Свое название такие аксессуары получили благодаря линейному расположению кристаллов. В результате формируется прямоугольная область сканирования. Обеспечивают высокое разрешение в ближней зоне. В этой категории представлены 2 разновидности датчиков:

1. 2D. Отличаются широкой апертурой, их центральная частота — 2,5-12 МГц. Используются для исследования сосудов, молочных желез, мышц, суставов, сухожилий, щитовидной железы, а также других поверхностных органов. Также с их помощью выполняют такие вмешательства, как катетеризация сосудов, лапароскопия, интраоперационные исследования, региональную анестезию.
2. 3D/4D. Здесь также размер контактной площадки будет очень широким, а центральная частота находится в пределах 7,5-11 МГц. На практике применяются при ультразвуковой диагностике сонных артерий и других сосудов, щитовидной железы, молочных желез.

Конвексные датчики

В таком в приборе пьезоэлектрические кристаллы размещены криволинейно. На практике они получили еще одно название — выпуклые, ведь сама форма сканирования получается выпуклой. Такое строение позволяет данным датчикам хорошо визуализировать глубоко расположенные структуры организма.

На сегодня конвексные датчики выпускаются двух типов: 2D, с центральной частотой 2,5-7,5 МГц, а также 3D/4D с частотой 3,5-6,5 МГц.

Основные области использования ультразвукового датчика такого типа – это диагностика:

• органов малого таза;
• органов брюшной полости;
• плода.

Также сегодня на рынке можно встретить микроконвексные датчики, имеющие более узкую контактную площадку. Широкое применение они получили в педиатрии, неонатологии.

Секторные фазированные датчики

В таком оборудовании используется особый вид пьезоэлементов — фазированная решетка. Здесь площадь контакта будет невысокой, а центральная частота находится в диапазоне 2-7,5 МГц. Область сканирования получается треугольной формы. В ближнем поле такие датчики дают достаточно слабое разрешение, но оно будет повышаться по мере углубления. С их помощью можно исследовать внутренние структуры через межреберную щель.

Подобное устройство УЗИ датчика делает его незаменимым при выполнении следующих исследований:

• сердца, в том числе транспищеводные;
• органов брюшной полости;
• головного мозга.

Отличие в работе всех этих аксессуаров во многом зависит от того, в каком рабочем режиме они используются.

Особенности работы ультразвуковых датчиков

Работа ультразвукового датчика напрямую зависит от того, в каком рабочем режиме он используется. Сейчас на примере рассмотрим 3 основных решения:

1. В-режим.
2. Секторный и конвексный датчики.
3. Режим допплера.

Особенности работы УЗИ датчика в В-режиме

В данном случае ультразвуковой датчик работает следующим образом:

Пьезоэлектрический датчик направляет короткий импульс в исследуемые ткани человеческого организма под воздействием электрического напряжения.

Сигнал распространяется по полости и отражается от органов, расположенных на разной глубине. Благодаря тому, что в программное обеспечение, которое используется в ультразвуковых сканерах, заложена стандартизированная скорость распространения ультразвука в тех или иных тканях человеческого организма, можно рассчитать точное расстояние до объекта, отразившее входной сигнал.

На экране при помощи различных оттенков серого цвета будет отображаться амплитуда принятого сигнала. Такие оттенки выбраны не зря, так как человеческий глаз больше всего различает именно оттенки серого. Именно на основании этого и осуществляется преобразование амплитуды обратного сигнала в яркость на экране УЗИ-аппарата.

При этом существует следующая закономерность: твердые объекты на экране будут выглядеть более светлыми, а пустоты — темными. То есть возможен вариант оттенков от практически белого до насыщенного черного. Подобное явление наблюдается ввиду того, что твердая структура организма, такие как кости, отражают сигнал с более высокой амплитудой. А в том случае, если луч попадает в пустоту, то он может проникать очень глубоко. В тот момент, когда он достигнет той или иной структуры, он уже будет очень слабым. То есть и отраженный сигнал будет иметь очень низкую амплитуду, в ряде случаев близкую к нулю.

Те ткани человеческого организма, которые представляют наибольший интерес для врача при проведении диагностики будут отображаться на мониторе в промежуточных оттенках из серой палитры.

Особенности работы секторных и конвексных датчиков

Рабочие схемы ультразвукового датчика конвективного и секторного типа достаточно схожи между собой. Дело в том, что изображение на дисплее будет обновляться по мере того, как каждый пьезоэлектрический кристалл отправит сигнал и получит его обратно.

В конвексном оборудовании излучение от пьезокристаллов идет поочередно группами. Так будет продолжаться до тех пор, пока в работу не вступят все кристаллы пьезокристаллической матрицы. Точно такими же партиями будет возвращаться ультразвуковой сигнал обратно. Изображение на экране сформируется только тогда, когда отработает абсолютно все кристаллы как в прямом, так и в обратном направлении. То есть все они должны отправить ультразвуковой сигнал, а потом получить его обратно.

Работа секторных датчиков предполагает, что здесь пьезокристаллы будут излучать ультразвуковой сигнал практически в одно и то же время. Незначительная электронная задержка накладывается на каждый из кристаллов специально для того, чтобы получить возможность управлять лучом, направляя его к той или иной части сканируемого органа. Как только ультразвук просканирует весь сектор обзора, на экране аппарата появится обновленное изображение.

Особенности работы УЗИ датчика в режиме допплера

В современной медицинской практике используются разные методики ультразвукового исследования на основании эффекта доплера. Пример работы датчика рассмотрим на самом простом решении — режиме постоянного доплера.

А сама суть эффекта состоит в том, что звук при отражении от подвижного объекта будет менять свою частоту. При этом разница между этими частотами или как ее еще называют сдвиг частот будет зависеть от того, в каком направлении перемещается объект и его собственной скорости. Данный параметр непостоянный и может меняться с течением времени. Получается, что датчики, работающие в режиме простого доплера условно имеют 2 отдельные группы пьезоэлектрических кристаллов: одна работает на излучение ультразвука, а вторая — на прием обратного сигнала. Путем сравнения принятого сигнала и отправленного и получается ультразвуковой частотный доплеровский сдвиг.

Специалисты оценивают сдвиг частот для того, чтобы по нему рассчитать скорость движения жидкостей в организме человека либо же тканей. Ввиду того, что доплеровский сдвиг зачастую находятся в диапазоне слышимых для человека частот, в частности от 20 Гц и до 20 кГц, через динамик аппарата выводится звук, как дополнительный источник информации.

Есть ли у вас остались дополнительные вопросы относительно устройства УЗИ-датчика или особенностей его работы, обратитесь за дополнительными консультациями к специалистам компании VINNO. Это можно сделать по телефону или через сервисы онлайн-связи.