Принцип работы датчика узи: Принцип работы УЗИ-аппарата

Принцип работы УЗИ аппарата. Ультразвуковой датчик

Под ультразвуком понимают звуковые волны, частота которых находится вне диапазона частот, воспринимаемых человеческим ухом.

Открытие ультразвука восходит к наблюдениям за полетом летучих мышей. Ученые, завязывая глаза летучим мышам, установили, что эти животные не утрачивают ориентировку в полете и могут обходить препятствия. Но после того как им закрывали также уши, ориентировка в пространстве у летучих мышей нарушалась и они сталкивались с препятствиями. Это позволило сделать вывод, что летучие мыши в темноте ориентируются с помощью звуковых волн, не улавливаемых человеческим ухом. Эти наблюдения были сделаны уже в XVII веке, тогда же был предложен термин «ультразвук». Летучая мышь для ориентировки в пространстве излучает короткие импульсы УЗ-волн. Эти импульсы, отражаясь от препятствий, воспринимаются спустя некоторое время ухом летучей мыши (феномен эха). По времени, которое проходит от момента излучения УЗ-импульса до восприятия отраженного сигнала, животное определяет расстояние до предмета. Кроме того, летучая мышь может также определить направление, по которому возвращается эхо-сигнал, локализацию предмета в пространстве. Таким образом, она посылает УЗ-волны и воспринимает затем отраженную картину окружающего ее пространства.

Принцип УЗ-локации лежит в основе работы многих технических устройств. По так называемому принципу импульсного эхо-сигнала работает гидролокатор, определяющий положение судна относительно косяков рыбы или морского дна (эхолот), а также аппараты УЗ-диагностики (УЗД), применяемые в медицине: аппарат излучает УЗ-волны, затем воспринимает отраженные сигналы, и по времени, прошедшему от момента излучения до момента восприятия эхо-сигнала, определяют пространственное положение отражающей структуры.

Содержание

Что такое звуковые волны?

Звуковые волны — это механические колебания, распространяющиеся в пространстве подобно волнам, возникающим после того, как в воду бросили камень. Распространение звуковых волн в значительной степени зависит от вещества, в котором они распространяются. Объясняется это тем, что звуковые волны возникают лишь при колебании частиц вещества.

Поскольку распространение звука возможно только от материальных предметов, в вакууме звук не образуется (на экзаменах часто задают вопрос «на засыпку»: как распространяется звук в вакууме?).

Звук в среде может распространяться как в продольном, так и в поперечном направлении. УЗ-волны в жидкостях и газах продольные, так как отдельные частицы среды колеблются вдоль направления распространения звуковой волны. Если плоскость, в которой колеблются частицы среды, располагается под прямым углом к направлению распространения волны, как, например, в случае морских волн (колебания частиц в вертикальном направлении, а распространение волны – в горизонтальном), говорят о поперечных волнах. Такие волны наблюдаются и в твердых телах (например, в костях). В мягких тканях ультразвук распространяется преимущественно в виде продольных волн.

Когда отдельные частицы продольной волны смещаются по направлению друг к другу, их плотность, а, следовательно, и давление в веществе среды в этом месте возрастает. Если частицы расходятся друг от друга, локальная плотность вещества и давление в этом месте снижаются. УЗ-волна образует зоны пониженного и повышенного давления. При прохождении УЗ-волны через ткань это давление очень быстро меняется в точке среды. Чтобы отличить давление, образуемое УЗ-волной, от постоянного давления среды, его называют также переменным, или звуковым, давлением.

Параметры звуковой волны

К параметрам звуковой волны относятся:

Амплитуда (А), например максимальное звуковое давление («высота волны»).
Частота (v), т.е. количество колебаний за 1 с. Единицей измерения частоты является герц (Гц). В диагностических аппаратах, применяемых в медицине, используют диапазон частот от 1 до 50 МГ ц(1 МГц = 106Гц, обычно диапазон 2,5-15 МГц).
Длина волны (λ), т.е. расстояние до соседнего гребня волны (точнее, минимальное расстояние между точками с одинаковой фазой).
Скорость распространения, или скорость звука (с). Она зависит от среды, в которой распространяется звуковая волна, а также от частоты.

Существенное влияние оказывают давление и температура, но в физиологическом диапазоне температур этим влиянием можно пренебречь. Для каждодневной работы полезно помнить, что чем плотнее среда, тем больше скорость распространения звука в ней.

Скорость распространения звука в мягких тканях равна примерно 1500 м/с и повышается с увеличением плотности тканей.

Эта формула занимает центральное место в медицинской эхографии. С ее помощью можно вычислить длину волны λ ультразвука, позволяющую определить минимальный размер анатомических структур, которые еще видимы при УЗИ. Те анатомические структуры, размер которых меньше длины УЗ-волны, при УЗИ уже неразличимы.

Длина волны позволяет получить довольно грубое изображение и не годится для оценки небольших структур. Чем выше частота ультразвука, тем меньше длина волны и размер анатомических структур, которые еще можно различить.

Возможность детализации возрастает с увеличением частоты ультразвука. При этом уменьшается глубина проникновения ультразвука в ткани, т.е. снижается его проникающая способность. Таким образом, с увеличением частоты ультразвука уменьшается доступная глубина исследования тканей.

Длина волны ультразвука, применяемого при эхографии для исследования тканей, колеблется от 0,1 до 1 мм. Более мелкие анатомические структуры идентифицировать не удается.

Как получают ультразвук?

Пьезоэлектрический эффект

Получение ультразвука, применяемого в медицинской диагностике, основывается на пьезоэлектрическом эффекте – способности кристаллов и керамики деформироваться под действием приложенного электрического напряжения. Под действием переменного напряжения кристаллы и керамика периодически деформируются, т.е. возникают механические колебания и образуются УЗ-волны. Пьезоэлектрический эффект обратим: УЗ-волны вызывают деформацию пьезоэлектрического кристалла, которая сопровождается возникновением электрического напряжения, поддающегося измерению. Таким образом, пьезоэлектрические материалы служат как генераторами УЗ-волн, так и их приемниками.

При возникновении УЗ-волны она распространяется в соединяющей среде. «Соединяющая» означает, что между генератором ультразвука и средой, в которой он распространяется, существует очень хорошая звуковая проводимость. Для этого обычно применяют стандартный УЗ-гель.

Для облегчения перехода УЗ-волн с твердой керамики пьезоэлемента на мягкие ткани его покрывают специальным УЗ-гелем.

При чистке УЗ-датчика следует соблюдать осторожность! Согласующий слой в большинстве УЗ-датчиков портится при повторной обработке спиртом из «гигиенических» соображений. Поэтому при чистке УЗ-датчика необходимо строго следовать инструкции, прилагаемой к аппарату.

Строение ультразвукового датчика

Генератор УЗ-колебаний состоит из пьезоэлектрического материала, большей частью керамического, на передней и задней стороне которого находятся электрические контакты. На переднюю сторону, обращенную к больному, нанесен согласующий слой, который предназначен для оптимального проведения ультразвука в ткани. На задней стороне пьезоэлектрические кристаллы покрыты слоем, который сильно поглощает ультразвук, что препятствует отражению УЗ-волн в разные стороны и ограничивает подвижность кристалла. Это позволяет добиться того, чтобы УЗ-датчик излучал как можно более короткие УЗ-импульсы. Длительность импульса — определяющий фактор осевой разрешающей способности.

Датчик для УЗИ в В-режиме, как правило, состоит из многочисленных мелких, примыкающих друг к другу керамических кристаллов, которые настраивают по отдельности или группами.

УЗ-датчик очень чувствителен. Это объясняется, с одной стороны, тем, что он в большинстве случаев содержит керамические кристаллы, которые очень хрупки, с другой – тем, что составные элементы датчика расположены с большой точностью друг возле друга и при механическом встряхивании или ударах могут сместиться или сломаться. Стоимость современного УЗ-датчика зависит от типа оборудования и примерно равна стоимости автомобиля среднего класса.

Перед транспортировкой УЗ-аппарата надежно закрепите УЗ-датчик на аппарате, а лучше отсоедините его. Датчик при падении легко ломается, и даже незначительные его сотрясения могут вызвать серьезное повреждение.

В диапазоне применяемых в медицинской диагностике частот невозможно получить резко сфокусированный луч, подобный лазерному, которым можно «зондировать» ткани. Однако для получения оптимального пространственного разрешения необходимо стремиться максимально уменьшить диаметр УЗ-луча (в качестве синонима УЗ-луча иногда употребляют термин «УЗ-луч» — этим подчеркивается, что в случае УЗ-поля речь идет о пространственной структуре, которая в идеале имеет минимальный диаметр).

Чем меньше УЗ-луч, тем лучше видны при УЗИ детали анатомических структур.

Поэтому ультразвук по возможности фокусируют на определенную глубину (несколько глубже исследуемой структуры), с тем, чтобы УЗ-луч образовал «талию». Фокусируют ультразвук либо с помощью «акустических линз», либо, подавая на отдельные пьезокерамические элементы преобразователя импульсные сигналы с различными взаимными сдвигами во времени. При этом фокусирование на большую глубину требует увеличения активной поверхности, или апертуры, УЗ-преобразователя.

При сфокусированном датчике в УЗ-поле выделяют три зоны:

ближнюю;
фокусную;
дальнюю.

Наиболее четким УЗ-изображение получается тогда, когда исследуемый объект находится в фокусной зоне УЗ-луча. Объект располагается в фокусной зоне, когда УЗ-луч имеет наименьшую ширину, а значит, его разрешающая способность максимальна.

Ближняя ультразвуковая зона

Ближняя зона примыкает непосредственно к УЗ-датчику. Здесь УЗ-волны, излучаемые поверхностью различных пьезокерамических элементов, накладываются друг на друга (другими словами, происходит интерференция УЗ-волн), поэтому образуется резко неоднородное поле. Поясним это на наглядном примере: если бросить в воду пригоршню камешков, то круговые волны, расходящиеся от каждого из них, накладываются друг на друга. Вблизи места падения камешка, соответствующего ближней зоне, волны нерегулярные, но на некотором отдалении постепенно приближаются к круговым. Попробуйте хоть раз проделать такой эксперимент вместе с детьми, когда прогуливаетесь возле воды! Выраженная неоднородность ближней УЗ-зоны образует нечеткое изображение. Сама однородная среда в ближней зоне выглядит как чередующиеся светлые и темные полосы. Поэтому ближняя УЗ-зона для оценки изображения почти или вовсе не годится. Этот эффект наиболее выражен у конвексных и секторных датчиков, которые излучают расходящийся УЗ-луч; у линейного датчика неоднородность ближней зоны выражена в наименьшей степени.

Можно определить, как далеко распространяется ближняя УЗ-зона, если, поворачивая регулятор, будете усиливать сигнал, одновременно наблюдая за УЗ-полем, примыкающим к датчику. Ближнюю УЗ-зону можно распознать по белой пелене вблизи датчика. Попробуйте сравнить ближнюю зону линейного и секторного датчиков.

Поскольку ближняя УЗ-зона неприменима для оценки изображения объекта, при проведении УЗИ стремятся минимизировать ближнюю зону и при помощи различных способов вывести ее из исследуемой области. Это можно сделать, например, подобрав оптимальное положение датчика или путем электронного выравнивания неравномерности УЗ-поля. Но на практике добиться этого проще всего с помощью так называемого буфера, заполненного водой, который помещают между датчиком и объектом исследования. Это позволяет вывести шум ближней зоны из области расположения исследуемого объекта. Обычно в качестве буфера применяют специальные насадки для отдельных датчиков или универсальную гелевую прокладку. Вместо воды в настоящее время используют пластиковые насадки на основе силикона.

При поверхностном расположении исследуемых структур применение буфера может существенно улучшить качество УЗ-изображения.

Фокусная зона

Фокусная зона характеризуется тем, что, с одной стороны, диаметр (ширина) УЗ-луча здесь наименьший, а с другой стороны, из-за эффекта собирательной линзы интенсивность ультразвука наибольшая. Это позволяет получать высокое разрешение, т.е. возможность отчетливо различать детали исследуемого объекта. Поэтому анатомическое образование или объект, который предстоит исследовать, необходимо располагать в фокусной зоне.

Дальняя ультразвуковая зона

В дальней УЗ-зоне луч ультразвука расходится. Поскольку при прохождении через ткани УЗ-луч ослабляется, интенсивность ультразвука, особенно высокочастотная его составляющая, снижается. Оба этих процесса отрицательно влияют на разрешающую способность, а следовательно, и на качество УЗ-изображения. Поэтому при исследовании в дальней УЗ-зоне четкость объекта утрачивается – тем больше, чем он дальше отстоит от датчика.

Разрешающая способность аппарата

Разрешающая способность системы визуального исследования, как оптическая, так и акустическая, определяется минимальным расстоянием, при котором два объекта на изображении воспринимаются как отдельные. Разрешающая способность — важный качественный показатель, характеризующий эффективность визуализационного метода исследования.

На практике часто упускают из виду, что повышение разрешающей способности имеет смысл лишь тогда, когда исследуемый объект по своим акустическим свойствам существенно отличается от окружающих тканей, т.е. имеет достаточную контрастность. Увеличение разрешающей способности при отсутствии достаточной контрастности не улучшает диагностические возможности исследования. Аксиальная разрешающая способность (в направлении распространения УЗ-луча) лежит в области удвоенного значения длины волны. Строго говоря, решающее значение имеет длительность отдельных излучаемых импульсов. Она бывает несколько больше двух последовательных колебаний. Это означает, что при датчике с рабочей частотой 3,5 МГц тканевые структуры размером 0,5 мм теоретически должны восприниматься как отдельные структуры. На практике это наблюдается лишь при условии, что структуры достаточно контрастны.

Боковая (латеральная) разрешающая способность зависит от ширины УЗ-луча, а также от фокусировки и, соответственно, от глубины исследования. В связи с этим разрешающая способность значительно варьирует. Наибольшее разрешение отмечается в фокусной зоне и равно примерно 4-5 длинам волны. Таким образом, латеральное разрешение в 2-3 раза слабее аксиального. В качестве типичного примера можно привести УЗИ протока поджелудочной железы. Просвет протока удается отчетливо визуализировать лишь тогда, когда он располагается перпендикулярно направлению УЗ-луча. Расположенные слева и справа под другим углом части протока уже не видны, потому что аксиальное разрешение сильнее латерального.

Сагиттальная разрешающая способность зависит от ширины УЗ-луча в плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования, и характеризует разрешение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, и, следовательно, толщину пласта изображения. Сагиттальная разрешающая способность, как правило, хуже, чем аксиальная и латеральная. В инструкции, прилагаемой к УЗ-аппарату, этот параметр упоминается редко. Однако следует исходить из того, что сагиттальная разрешающая способность не может быть лучше латеральной и что эти два параметра сопоставимы лишь в сагиттальной плоскости в фокусной зоне. У большинства УЗ-датчиков сагиттальный фокус устанавливают на определенную глубину и выражен он не совсем четко. На практике сагиттальное фокусирование УЗ-луча осуществляют путем использования в датчике согласующего слоя в качестве акустической линзы. Вариабельное фокусирование перпендикулярно плоскости изображения, таким образом, уменьшение толщины этого слоя достижимо лишь с помощью матрицы пьезоэлементов.

В тех случаях, когда перед врачом, проводящим исследование, поставлена задача детального описания анатомической структуры, необходимо исследовать ее в двух по возможности взаимно перпендикулярных плоскостях, если это позволяют сделать анатомические особенности изучаемой области. При этом разрешающая способность уменьшается от аксиального направления к латеральному и от латерального к сагиттальному.

Типы ультразвуковых датчиков

В зависимости от расположения пьезоэлектрических элементов различают три типа УЗ-датчиков:

линейные;
секторные;
конвексные.

В линейных датчиках пьезоэлектрические элементы расположены вдоль прямой раздельно или группами и излучают УЗ-волны в ткани параллельно. После каждого прохождения через ткани появляется прямоугольное изображение (за 1 с — порядка 20 изображений или более). Преимущество линейных датчиков состоит в возможности получения высокого разрешения вблизи расположения датчика (т.е. относительно высокое качество изображения в ближней зоне), недостаток – в небольшом поле УЗ-обзора на большой глубине (объясняется это тем, что, в отличие от конвексного и секторного датчиков, УЗ-лучи линейного датчика не расходятся).

Датчик с фазированной решеткой напоминает линейный датчик, но имеет меньшие размеры. Он состоит из ряда кристаллов с раздельной настройкой. Датчики этого типа создают на мониторе изображение секторного датчика. В то время как в случае механического секторного датчика направление УЗ-импульса определяется поворотом пьезоэлемента, при работе с датчиком с фазированной решеткой направленный сфокусированный УЗ-луч получают путем смещения по времени (фазовый сдвиг) всех активируемых кристаллов. Это значит, что отдельные пьезоэлектрические элементы активируются с задержкой по времени и в результате УЗ-пучок излучается в косом направлении. Это позволяет фокусировать УЗ-луч в соответствии с поставленной задачей исследования (электронное фокусирование) и одновременно существенно улучшить разрешение в нужной части УЗ-изображения. Еще одно преимущество состоит в возможности динамического фокусирования принимаемого сигнала. При этом фокус во время приема сигнала устанавливают на оптимальную глубину, что также заметно улучшает качество изображения.

В механическом секторном датчике в результате механического колебания элементов преобразователя УЗ-волны излучаются в различных направлениях, поэтому формируется изображение в виде сектора. После каждого прохождения через ткань формируется изображение (10 и более за 1 с). Преимущество секторного датчика состоит в том, что он позволяет получить широкое поле обзора на большой глубине, а недостаток — в невозможности исследования в ближней зоне, так как поле зрения вблизи датчика слишком узкое.

В конвексном датчике пьезоэлектрические элементы расположены друг возле друга по дуге (изогнутый датчик). Изображение по качеству представляет собой нечто среднее между изображением, получаемым линейным и секторным датчиками. Конвексный датчик, как и линейный, характеризуется высоким разрешением в ближней зоне (хотя оно и не достигает разрешения линейного датчика) и при этом широким полем обзора в глубине тканей — подобно секторному датчику.

Лишь при двухмерном расположении элементов УЗ-преобразователя в форме матрицы удается фокусировать УЗ-луч одновременно в латеральном и сагиттальном направлении. Эта так называемая матрица пьезоэлементов (или двухмерная матрица) дополнительно позволяет получить данные о трех измерениях, без чего сканирование объема тканей, находящегося перед датчиком, невозможно. Изготовление матрицы пьезоэлементов – трудоемкий процесс, требующий применения новейших технологий, поэтому лишь в последнее время фирмы-производители стали оснащать выпускаемые ими УЗ-аппараты конвексными датчиками.

Принцип работы ультразвукового датчика

Природа кристаллов пьезоэлектрических элементов позволяет генерировать звук высокой частоты под воздействием электрического напряжения. Оказавшись в поле высокочастотных звуковых колебаний, пьезокристалл, напротив, генерирует электрическую энергию. Включив такие кристаллы в электрическую цепь, и определенным образом обрабатывая получаемые с них сигналы, мы можем видеть изображение на экране УЗИ-аппарата.

Меры предосторожности при работе с ультразвуковыми датчиками

Между кристаллической матрицей датчика и телом пациента располагается ряд согласующих материалов для лучшего проникновения и дополнительной фокусировки УЗ-луча. Это согласующие слои самого датчика, акустическая линза и согласующий акустический гель.

Необходимо помнить, что применять следует гель из рекомендуемого производителем списка, поскольку гели отличаются физическими параметрами. Использование «неправильного» геля будет приводить к перегреву пьезокристаллической матрицы, согласующих слоев и линзы, а также к повышенной нагрузке на электронные блоки формирования высокого напряжения и усиления принятого сигнала.

Таким образом, кажущаяся необоснованность и экономия от использования более дешевого геля приведет к поломке датчика и дорогостоящему ремонту самого аппарата, а в некоторых случаях даже электротравмам пациента или врача, так как на головку датчика подается высокое электрическое напряжение.

Если у Вас все же возникла проблема с датчиком, не спешите его списывать:

Несмотря на всю сложность, ремонт датчиков УЗИ возможен практически в любом случае.

Как работает ультразвуковой датчик в B-режиме

Через ультразвуковой пьезоэлектрический датчик в ткани отправляется короткий импульс.
Он распространяется и отражается от объектов, расположенных на разной глубине. Скорость распространения ультразвука в тканях известна, поэтому можно определить определить расстояние до объекта, который отразил данный эхо-сигнал.
Амплитуда принятого сигнала кодируется на экране с помощью оттенков серого цвета. Глаз человека больше всего восприимчив именно к оттенкам серого. Таким образом происходит кодировка амплитуды принимаемого сигнала в яркость на мониторе УЗ-сканера.

При этом работа ультразвукового датчика для пользователя заключается в следующем:

твердые объекты выглядят более светлыми, почти белыми, пустоты наоборот — черными.

Это происходит потому, что амплитуда отраженного от кости сигнала велика. Если же направить луч в полость (в пустоту), УЗ-луч пройдет очень глубоко, сильно ослабнет и амплитуда принятого отраженного сигнала будет близка к нулю. Биологические ткани, представляющие наибольший интерес для врача, на дисплее аппарата отображаются в промежуточных градациях серого цвета.

Работа линейных, конвексных и секторных датчиков

В линейных и конвексных датчиках пьезокристаллы излучают группами поочередно, пока не отработают все кристаллы от начала пьезокристаллической матрицы до конца. Один кадр на дисплее обновится тогда, когда все группы поочерёдно отправят и примут ультразвуковой сигнал.

В секторных фазированных датчиках все кристаллы излучают почти одновременно. Специально вводятся небольшие электронные задержки сигнала на каждый кристалл для того, чтобы направлять сканирующий луч. Изображение на дисплее обновится тогда, когда луч просканирует весь сектор обзора.

Работа ультразвукового датчика в режимах допплера

Рассмотрим прам из видов доплера – режиме постоянного доплера. Суть метода заключается в применении эффекта Доплера.

Звук, отражаясь от подвижного объекта, меняет свою частоту. В зависимости от направления движения объекта и его скорости, Эта разница, или сдвиг частот, называется Допплеровским. Он будет изменяться с течением времени.

В данном режиме одна половина кристаллов датчика работает на излучение ультразвука, а вторая – на приём. Сравнивая принятый сигнал с отправленным, мы получим частотный допплеровский сдвиг ультразвука.

По значению сдвига можно высчитать скорость движения тканей или жидкостей в организме. Допплеровский сдвиг часто лежит в пределах слышимых человеком частот (20Гц-20кГц), поэтому его в качестве дополнительного источника информации выводят в форме звука, через динамик аппарата.

Существуют и другие режимы работы УЗ-сканера, в которых работа датчика отличается от изложенных выше, как программно, так и аппаратно.

Описать все нюансы работы такого сложного оборудования в сжатом виде крайне сложно, поэтому, если у Вас остались вопросы, наши специалисты готовы проконсультировать Вас по телефону, электронной почте или через онлайн-форму на нашем сайте.

Виды датчиков УЗИ

Одним из самых важных элементов аппарата УЗИ являются датчики или трансдюсер.

Принцип работы датчика для ультразвуковых исследований заключается в том, что он излучает сигнал нужной частоты (обычно от 2 до 5 МГц), амплитуды и формы импульса, а также принимает отраженный сигнал от исследуемых тканей, преобразует в электрическую форму и передает для дальнейшего усиления и обработки.

Набор датчиков, идущих в комплекте с аппаратом УЗИ напрямую влияет на его стоимость, поэтому надо точно решить в какой области будет применятся ультразвуковой сканер и исходя из этого подобрать необходимую комплектацию.

Существует три вида ультразвукового сканирования – это конвексное, линейное и секторное, в связи с этим датчики имеют созвучные названия; конвексные, линейные и секторные.

Так же датчики делятся на сферы применения, такие как:

— Универсальные – применяются для обследования органов брюшной полости и органов малого таза;

— Внутреполостные – к таким датчикам относятся транвагинальные, чреспищеводные, биопсийные ,интраоперационные ,транректальные и трансуретральные;

— Педиатрические— данный тип датчиков отличается большей рабочей частотой, по сравнению с оборудованием, предназначенным для обследования взрослых;

— Кардиологические – из названия становится понятно, что данные датчики применяются для обследования сердца, а также для трансэзофагельного обследования сердца;

— Для обследования поверхностно расположенных органов – таких, как сосуды, суставы и щитовидная железа.

Конвексные датчики:

Получили такое название из-за того, что ультразвуковой преобразователь имеет форму выпуклой (конвексной) решетки, благодаря этому обеспечивается обширная зона обзора на средней и большой глубине. Частота работы датчика варьируется от 2 до 7.5МГц, глубина сканирования может достигать 25 см, ширина измерения на несколько сантиметров превышает ширину самого датчика.

Датчики данного типа применяются для сканирования глубоко расположенных органов, таких как: органы брюшной полости, органы тазобедренных суставов и мочеполовой системы.

Микроконвексный датчик :

является разновидностью конвексного датчика, предназначенного для использования в педиатрии.

Линейные датчики:

Датчики данного типа обладают высокой частотой сигнала от 5 до 15 МГц, за счет этого позволяют получать изображение с высоким разрешением на глубине до 10 см. Используются для обследования поверхностно расположенных органов.

Секторно-фазированные датчики:

Благодаря применению секторно-фазированной решетки изменяется угол луча в плоскости сканирования, это дает возможность провести исследования за ребрами, родничком или глазом. Наличие возможности независимого приема и передачи сигнала различными частями секторно-фазированной решетки, дает возможность работы с постоянно-волновым и непрерывно волновыми доплером.

Секторные датчики:

Для получения изображения с небольшого участка на большой глубине применяются датчики данного типа с рабочей частотой 1,5-5МГц.

Внутреполостные датчики:

Датчики данного типа предназначены для непосредственного введения в биологическую полость, подразделяются на несколько видов, в зависимости от цели обследования:

— трансвагинальные(интравагинальные) датчики – применяются в гинекологии;

— трансректальные датчики – основное применение данного датчика — это диагностика простатита;

— интраоперационные датчики – имеют очень компактный вид, так как вводятся непосредственно в операционное поле:

— трансуретральные датчики – служат для исследования мочевого пузыря путем введения через уретру, поэтому имеют маленький диаметр;

— чреспищеводные датчики – сконструированный по тому же принципу что и гибкий эндоскоп, поэтому имеет аналогичную систему управления ракурсом наблюдения, благодаря чему позволяет наблюдать за сердцем со стороны пищевода;

— внутрисосудистые датчики – служат для инвазивного обследования сосудов.

Биплановые датчики:

Совмещают в себе два вида излучателей конвекс + конвекс или конвекс + линейный. Благодаря такому технологическому решению изображение можно получать как в продольном, так и в поперечном срезе. Также существуют трех-плановые датчики, единовременно выводящие изображение со всех излучателей.

3D/4D датчики объемного сканирования:

Датчики данного типа позволяют производить автоматическое посрезовое сканирование органов с дальнейшим преобразованием в трехмерное изображение (3D). Возможность просмотра трехмерного изображения в реальном времени позволяет технология 4D, так же предоставляется возможность просмотра всех срезов изображений.

Матричные датчики:

Датчики с двумерной решеткой. Делятся на:

1.5D (полуторомерные). Количество элементов по ширине решетки меньше, чем по длине. Это обеспечивает максимальное разрешение по толщине.

2D (двумерные). Решетка представляет собой прямоугольник с большим количеством элементов по длине и ширине. Позволяют получать 4D изображение, одновременно выводить на экран несколько проекций и срезов.

Карандашные (слепые CW) датчики:

Данные датчики оснащены раздельным излучателем и приемником, и работают только в режиме непрерывно-волнового CW-допплера. Такие датчики не передают изображение в цветном и В-режиме, поэтому требуют ручного наведения на объект исследования для получения CW-спектра.

Применяются данные датчики для исследования крупных артерий, вен конечностей, шеи, а также сердца. Благодаря тому, что современные УЗИ аппараты позволяют получитьCW-спектр с помощью других типов датчиков, например, секторно-фазированных датчиков, необходимость в применение карандашных датчиков отпала.

Видеоэндоскопические датчики:

Датчик является видеоэндоскопической стойкой либо видеобронхоскопической стойкой с интегрированным ультразвуковым датчиком. Это позволяет добавить все преимущества ультразвукового исследования к традиционной эндоскопии и бронхоскопии.

Игольчатые (катетерные) датчики:

Для ввода в труднодоступные полости такие как сердце, сосуды используются данные микродатчики.

Лапароскопические датчики:

В зависимости от модели датчика кончик может изгибаться одной или двух плоскостях, или не изгибаться вовсе. Управление осуществляется джостиком, по аналогии с гибким эндоскопом. Благодаря своей конструкции может применяться для контроля в лапароскопических операциях.

Биопсийные или пункционные датчики:

Датчик имеют специальную конструкцию, в которой игла может проходить через отверстие в рабочей поверхности (апертуре). Служат для точного наведения биопсийных или пункционных игл. Из-за технологической сложности выполнения биопсийных датчиков, а как следствие более высокой цены, многие фирмы применяют биопсийные адаптеры- приспособления для наведения биопсийных игл. Адаптер может жестко крепится на корпусе обычного датчика и является съемным.

С современном аппарате УЗИ применяется большое количество датчиков, но за частую для работы врача необходимо 3-4 датчика, в зависимости от области исследований. При выборе аппарата УЗИ руководствуйтесь тем, в какой области он будет чаше всего у вас применятся и следуя из этого выбирайте необходимую комплектацию.

разновидности (линейный, фазированный, конвексный, секторный, внутриполостной, для родничка), обработка сигнала, ориентация, дизинфекция

УЗИ – метод диагностики, применяемый для исследования болезней и постановки корректного диагноза. На мониторе врач видит нужный орган, его размеры и состояние. УЗИ-датчики отражают изображение с помощью колебания волн.

Виды датчиков и область применения

Датчики для аппаратов УЗИ отличаются по форме, функциям, частоте волн, возрасту пациента.

Для того чтобы оценить работу сосудов и печени, используют разные насадки. Главное отличие – частота, чем она выше, тем глубже будет проникать трансдьюсер. Картинка на мониторе будет более четкой, что облегчит постановку диагноза.

Датчик УЗИ состоит из пластикового корпуса, электрического провода и излучателя. На корпусе обозначена информация для врача по ориентации в пространстве. Таким образом задаются параметры «право-лево». Эти параметры специалист может задать вручную.

Делятся датчики на электронные и механические. Электронные обладают высокой точностью и используются чаще механических.

Для осмотра полости матки и предстательной железы используют насадки, которые проникают в слизистые оболочки. Специальные одноразовые презервативы для УЗИ предотвращают риск попадания инфекции в организм.

Дезинфекция приборов – это обработка насадок дезинфицирующими средствами после каждого применения.

Подробности о датчиках УЗИ вы можете узнать, посмотрев обзорное видео:

Конвексные

Это излучатели, с помощью которых исследуют органы брюшной полости, почек, мочевыделительную систему и тазобедренные суставы. Глубина их проникновения – 25–30 см, сам трансдьюсер с полукруглой головкой. На экране монитора внутренние органы на несколько сантиметров больше самого прибора.

Конвексные датчики для УЗИ-сканеров – самые распространенные. Исследование организма с их помощью информативно и доступно для всех категорий пациентов.

Микроконвексные

Представляют собой уменьшенную копию конвексной насадки. Назначение микроконвексного датчика – исследование органов и костно-суставной системы у детей.

Линейные

Линейный датчик УЗИ проникает на 10–11 см, но четко показывает изображение исследуемой области. Применяют для оценки состояния молочных желез, щитовидной железы, новообразований кожи, суставов пальцев, мелких сосудов.

Секторные

Применяют в обследовании сердечных и мозговых нарушений. Особенность данного излучателя состоит в том, что он изменяет угол обзора. Секторный датчик необходим, чтобы вывести на экран изображение пространства за органом, в его промежутках.

Первое обследование новорожденного проводят в месяц. Помимо осмотров специалистами и анализов, делают УЗИ органов брюшной полости, шеи, сердца, а также нейросонографию – секторным фазированным датчиком смотрят детский родничок.

Трансректальные

Трансректальный трансдьюсер – тонкий и вытянутый с излучателем маленького размера. Такую насадку используют для диагностики болезней предстательной железы. Исследование обладает высокой точностью, информативностью. На насадку надевают презерватив и вводят в прямую кишку. На мониторе врач оценивает состояние простаты и при необходимости проводит забор материала для биопсии.

Метод безболезненный и не причиняющий практически никакого дискомфорта. После каждой процедуры прибор дезинфицируют, риск заноса инфекции исключен.

Чреспищеводные

Чреспищеводные УЗИ-датчики используют в кардиологическом профиле для более точного описания сердца. По своему строению и способу введения это аналоги трубки фиброгастроскопии. Длинные, тонкие, способные разворачиваться на 360 градусов – преимущества этих приборов.

К дезинфекции чреспищеводных насадок более серьезные требования. Они обрабатываются химическим способом: методом погружения в раствор при особой температуре на определенное время. Соблюдение всех этапов предстерилизационной подготовки и стерилизация обеспечивают полную дезинфекцию инструмента.

Механические

Отличительная особенность – они способны передавать изображение в двух-, трех-, четырехмерном формате. Излучатель на их насадке поворачивается во все стороны и передает объемное изображение. Этот вид особенно популярен в УЗИ при беременности. Также используют для диагностики патологий сосудов, сердца и органов малого таза.

Катетерные

Катетерные датчики УЗИ помогают определить состояние сосудов и сердца изнутри. Они очень маленького размера, при этом обладают высокой информативностью. Также их называют игольчатыми.

Допплеровские

Допплеровские датчики помогают в диагностике болезней сосудов. В основе лежит оценка кровотока при помощи отражения ультразвуковых волн. Врачи назначают допплер сосудов головы, шеи, нижних и верхних конечностей.

Матричные

На насадке матричных датчиков УЗИ располагается несколько излучателей. Изображение исследуемого органа на мониторе получается максимально четким и различимым. В связи с дороговизной производства редко используются на практике.

Объемные

Относятся к механическим видам насадок. Выводят на экран объемное изображение плода или органа, который обследуют.

Монокристальные

Монокристаллические излучатели сделаны из одного кристалла. Цель – получение четкого изображения. Насадки разных частот делают таким способом.

Видеоэндоскопические

Видеоэндоскопические датчики УЗИ – это три вида исследования в одном: бронхоскопия, фиброскопия и ультразвук одновременно.

Лапароскопические

С помощью данных трансдьюсеров проводят лапароскопические операции на различных органах: сердце, сосудах, органах брюшной полости. Хирург управляет ими, нажимая на кнопки на специальном аппарате. На мониторе выводится изображение этого органа, и врач контролирует ход операции.

От выбора насадки УЗИ зависит качество и точность проведения исследования. Врачи ультразвуковой диагностики, эндоскописты, хирурги подберут именно тот датчик УЗИ, который потребуется для диагностики вашего здоровья.

Оставляйте ваши комментарии к статье, расскажите о своем опыте УЗИ. Поделитесь материалом с друзьями – репост приветствуется. Спасибо.

Типы ультразвуковых датчиков и их назначение

Чтобы полноценно воспользоваться всеми возможностями вашего ультразвукового аппарата, вы должны иметь правильные аксессуары. Таким образом, главным фактором эффективности вашего УЗ-сканера является правильно подобранные ультразвуковые датчики.

В данной публикации мы расскажем о различных видах ультразвуковых датчиков и для каких исследований предназначен каждый из них. В заключении мы поделимся несколькими полезными советами, которые следует помнить при покупке УЗ-датчиков.

Итак, давайте по порядку.

— Что такое ультразвуковой датчик и для чего он нужен?

УЗ-датчик представляет собой устройство, которое генерирует ультразвуковые волны. Эти волны отражаются от тканей тела человека и в виде эхо-сигналов улавливаются этим же датчиком. Полученные эхо-сигналы датчик передает на компьютер, который использует их для создания изображения, называемого эхограммой. Основным элементом каждого ультразвукового датчика является пьезоэлектрический кристалл, который служит для генерации и приема ультразвуковых волн. К сожалению, индустрия медицинской визуализации уже более 40 лет использует один и тот же пьезоэлектрический материал.

Так было вплоть до недавнего времени, когда появился новый вид материала и новая технология ультразвуковых датчиков – монокристаллическая, что повлекло за собой значительное улучшение качества изображения.

Виды ультразвуковых датчиков

В настоящее время на рынке доступны УЗ-датчики различных форм, размеров и предназначенные для самых разных применений. Это связано с тем, что для получения хорошего качества изображения в разных частях тела необходимо применять датчики с соответствующими характеристиками. УЗ-датчики могут быть внешними или полостными. Внешние располагаются на поверхности тела или органа, а полостные вводятся в полый орган или отверстие (например, в прямую кишку или влагалище).

Есть ли еще какие-то различия между ними?

Конечно!

Ультразвуковые датчики отличаются своей конструкцией в зависимости от:

Расположения пьезоэлектрических кристаллов
Размера апертуры (размера контактной площадки)
Частоты

Ниже мы перечислим три наиболее распространенных вида ультразвуковых датчиков: линейный, конвексный (стандартный или микроконвексный) и секторный фазированный. Кроме того, мы включили в обзор и некоторые другие датчики, которые доступны на рынке и на нашем складе.

Линейные датчики

Пьезоэлектрические кристаллы в этих датчиках расположены линейно, форма области сканирования прямоугольная. Этот датчик обладает хорошим разрешением в ближней зоне. Частота и применение линейного датчика зависят от того, предназначен ли он для получения 2D- или 3D/4D-изображения.

Линейный 2D датчик имеет широкую апертуру, и его центральная частота находится в диапазоне 2,5-12 МГц.

Линейный датчик используется для следующих целей:

Исследование сосудов
Выполнение катетеризации сосудов под контролем узи
Выполнение регионарной анастезии под контролем узи
Исследование молочных желез
Исследование щитовидной железы
Исследование мышц, сухожилий и суставов
Исследование других поверхностных органов
Проведение интраоперационных исследований и лапароскопии

Линейный 3D/4D датчик имеет широкую апертуру и центральную частоту в диапазоне 7,5-11 МГц.

Область применения данного вида датчика:

Исследование молочных желез
Исследование щитовидной железы
Исследование сосудов, в частности сонных артерий

Конвексные датчики

Конвексный ультразвуковой датчик также называют выпуклым датчиком, поскольку пьезоэлектрические кристаллы в нем расположены криволинейно. Форма области сканирования является выпуклой. Этот датчик хорошо визуализирует глубоко расположенные структуры, даже при уменьшении разрешения изображения с увеличением глубины.

Область сканирования, частота и применение конвексного датчика зависят от того, предназначен ли он для получения 2D- или 3D/4D-изображений.

Конвексный 2D датчик имеет широкую апертуру, и его центральная частота составляет 2,5-7,5 МГц.

Конвексный датчик используется для следующих целей:

Исследование органов брюшной полости у взрослых и детей
Исследование органов малого таза у взрослых и детей
Диагностика плода

Конвексный 3D/4D датчик имеет широкую апертуру, и его центральная частота составляет 3,5-6,5 МГц. Он применяется для исследования органов брюшной полости, органов малого таза и диагностики плода.

Существует подвид конвексных датчиков, называемый микроконвексным. Он имеет гораздо меньшую апертуру. Врачи обычно используют его в неонатологии и педиатрии.

Секторные фазированные (кардиологические) датчики

Этот датчик назван по типу устройства пьезоэлементов, которое называется фазированной решеткой. Фазированный датчик имеет небольшую апертуру и низкую частоту (центральная частота составляет 2-7,5 МГц). Форма области сканирования практически является треугольной. Эти датчики имеют плохое разрешение в ближнем поле но дают хороший обзор на глубине. Позволяют наблюдать структыры через узкую межреберную щель.

Сфера применения фазированного датчика:

Исследование сердца, включая транспищеводные исследования у взрослых и детей
Исследования органов брюшной полости у взрослых и детей
Исследования головного мозга у взрослых и детей

Для исследования детей используются датчики с высокой частотой (5 или 7,5 МГц), что позволяет получить более качественное изображение. Это возможно благодаря маленьким размерам пациентов.

Другие типы ультразвуковых датчиков

И это еще не всё. На рынке присутствует большое количество всевозможных видов УЗ-датчиков. Вот некоторые из них:

Карандашные датчики, также называемые CW-датчиками, используются для измерения кровотока. Этот датчик имеет небольшую апертуру и использует низкую частоту (обычно 2-8 МГц). Следующий вид ультразвукового датчика – внутриполостной. Эти датчики предназначены для проведения исследования при введении их в определенные полые органы или отверстия. К внутриполостным датчикам относятся вагинальные (гинекологические), ректальные и ректально-вагинальные датчики. Как правило, они имеют небольшую область сканирования, а их частота колеблется в диапазоне 3,5-11,5 МГц. Также имеется чреспищеводный (трансэзофагеальный) датчик. Как и ранее упомянутые датчики, он имеет небольшую апертуру и используется в кардиологии для получения лучшего изображения сердца, выполняемого через пищевод. Эти датчики работают на средней частоте, в диапазоне 3-10 МГц.Кроме того, существует несколько датчиков, предназначенных для хирургического применения, например, лапароскопические.

Советы, которые следует помнить при покупке ультразвукового датчика

Теперь, когда вы уже знаете о наиболее распространенных видах ультразвуковых датчиков, предлагаем вашему вниманию несколько советов, которые вы должны помнить при их покупке:

Удостоверьтесь и дважды проверьте, совместим ли датчик, который вы собираетесь приобрести, с вашим аппаратом – для этого вы можете использовать руководство по эксплуатации или обратиться в наш отдел продаж.
Низкая частота (от 2,5 до 7,5 МГц) обеспечивает лучшую глубину проникновения, однако ее недостатком является более низкое качество изображения.
Чем выше частота (выше 7,5 МГц), тем ниже глубина проникновения ультразвука, тем не менее вы получаете изображения более высокого качества вблизи поверхности (7,5 МГц = 20 см).

Внимание!

Черная линия на мониторе ультразвукового аппарата, вероятнее всего, будет означать, что внутри датчика есть кристалл, отработавший свой срок службы.
Тень на экране ультразвукового аппарата может указывать на слабый кристалл внутри датчика, который не производит необходимую вибрацию.

Уход и обслуживание УЗ-датчика

Наконец, помните, что датчик является очень важным и очень дорогим элементом ультразвукового аппарата. Поэтому после его приобретения вы должны эксплуатировать его, соблюдая следующие меры предосторожности:

Не бросайте, не роняйте и не подвергайте датчик механическим воздействиям
Избегайте повреждения кабеля датчика
После каждого использования удаляйте с датчика излишки геля
Не используйте спиртосодержащие растворы

Как устроен УЗИ-аппарат и принципы его работы

Ультразвуковая диагностическая система востребована в современной медицине. Она широко используется в учреждениях различного уровня, дает точные и достоверные результаты.

В зависимости от качества получаемой информации аппараты можно разделить на несколько основных групп:

простые сканеры. Это, как правило, мобильные приборы, которые имеют не более 16 каналов приема-передачи;
аппараты среднего класса. Обычно имеют 32 канала;
УЗИ-оборудование с повышенным классом возможностей. Большинство таких сканеров обладает функцией цифрового допплеровского картирования и имеет 64 канала приема-передачи;
экспертные приборы. Имеют от 64 до 512 каналов, оснащаются цветовым допплером. Также называются цифровыми системами или платформами.

Вышеперечисленное оборудование имеет достаточно сложную конструкцию, которая состоит из датчика, центрального процессора и дисплея, а также клавиатуры и курсора, принтера и дисковых хранилищ. В нее входят и другие элементы. Так, ультразвуковой датчик — это специальный детектор, или преобразователь, при помощи которого формируются и передаются звуковые волны. Импульсный датчик управления меняет амплитуду, длительность и частоту импульсов, излучаемых преобразователем. Центральный компьютер производит расчеты и имеет электрический источник питания, а на дисплее отображаются все данные. Информация вводится при помощи клавиатуры и дисплея. Принтер необходим для распечатки полученных изображений.

Принципы работы

При помощи датчиков аппараты передают в человеческое тело звуковые импульсы, которые распределяются между тканями, а часть волн возвращается обратно к преобразователю. Полученные данные направляются в центральный процессор, который является главной частью системы. Компьютер обрабатывает информацию, преобразует ее в изображение и выводит на экран. Расстояние до органа или ткани процессор определяет по скорости распространения звука.

Сам датчик может принимать и передавать миллионы сигналов в секунду. При помощи элементов управления врач-диагност имеет возможность устанавливать и менять частоту и длительность импульсов, а также режимы сканирования.

Ультразвуковые датчики. Устройство и работа. Особенности

Сенсорные устройства, преобразующие электрический ток в волны ультразвука, называются ультразвуковые датчики. Их принцип действия аналогичен работе радара, они улавливают цель по отраженному сигналу. Скорость звука – величина постоянная. На основании этого таким датчиком вычисляется расстояние до некоторого объекта, соответствующее диапазону времени между выходом сигнала и его возвращением.

Устройство и принцип действия

Работают ультразвуковые датчики основываясь на взаимодействии колебаний ультразвука с измеряемым пространством. Ультразвуковые колебания – это механические колебания, которые совершаются с частотой выше 20000 герц, а значит, больше верхней границы колебаний звука, воспринимаемого человеком.

Распространение таких колебаний в газообразных, жидких и твердых средах зависит от параметров самой среды. Скорость передачи колебаний для газов равна 200-1300 метров в секунду, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидких веществ 1100-2000 м/с. Значительно зависит скорость колебаний от давления газа.

Коэффициенты отражения волн ультразвука отличаются на границах различных сред, так же как и их способность поглощения звука. Поэтому ультразвуковые датчики используют для получения информации о разных неэлектрических параметрах с помощью измерения свойств колебаний ультразвука: сдвига фаз, времени затухания, распространения колебаний.

Ультразвуковые способы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках применяют пьезоэлементы, преобразователи магнитострикционного вида. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты применяется эффект растяжения и сжатия пьезокристалла, называемый обратным пьезоэффектом. Поэтому пьезоэлемент применяется как в качестве приемника колебаний, так и в качестве излучателя.

Излучатели магнитострикционного вида применяют эффект деформации ферромагнитов в магнитном поле. Излучатель стержневого вида выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на котором намотана катушка возбуждения.

В магнитострикционных излучателях часто применяются сплавы никеля, ферриты. При нахождении ферромагнитного стержня в переменном магнитном поле, он будет разжиматься, и сжиматься с частотой поля. На рисунке показана зависимость изменения (относительного) длины стержня от напряженности поля Н. Так как направление поля не влияет на знак деформации, то частота деформации будет в 2 раза выше частоты возбуждающего поля.

Чтобы получить значительные механические деформации применяют подмагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели действуют в условиях резонанса, если частота поля возбуждения совпадает с колебаниями стержня, определяемыми по формуле:

Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р — плотность.

В излучателе на основе пьезоэлемента применяется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение U_х, образующее электрическое поле по оси Х.

Обратный эффект состоит в деформации пластины по оси Х. Относительное изменение размера пластины (толщины) равно:

Δa/a=kUx/a

Поперечный эффект состоит в деформации пластины по оси У. Относительное изменение толщины пластины равно:

Δl/l=kUx/a

Размеры пластины не влияют на величину продольной деформации. Поперечная деформация повышается с увеличением отношения l/а. При разности потенциалов до 2500 вольт имеется прямая зависимость деформации и напряжения. При высоких напряжениях деформация повышается не так интенсивно. Амплитуда колебаний доходит до наибольшего значения, когда частота напряжения и частота колебаний пластины совпадают.

Частота продольных колебаний вычисляется:

Модуль упругости определяется по оси Х. Модуль упругости по оси У влияет на частоту поперечных колебаний:

Если сравнить два рассмотренных типа излучателей, то можно сделать вывод, что пьезоэлектрические излучатели могут обеспечить большую частоту колебаний ультразвука.

Рассмотрим работу датчика по времени прохождения сигнала. Обработка отраженного сигнала осуществляется в той же точке, откуда и излучается. Такой метод является непосредственным обнаружением.

Рис 1

Ультразвуковые датчики в момент времени Т₀ излучают сигнал (некоторый набор импульсов) длительностью ∆t, распространяющийся в среде со звуковой скоростью С. При достижении объекта сигналом, часть его отражается и возвращается в приемник за время Т₁. Схема электронного устройства, предназначенная для обработки сигнала, определяет расстояние, вычисляя время Т₁— Т₀.

Для определения расстояния может использоваться схема с одной или двумя головками датчика. В случае с двумя головками, одна из них излучает сигнал, а вторая принимает отраженный сигнал.

Ультразвуковые датчики с одной головкой

Эта схема обладает значительным недостатком, который заключается в том, что после выдачи сигнала необходимо время для успокоения мембраны для дальнейшей работы на прием отраженного сигнала. Этот период времени называют «мертвым» временем.

Мертвое время вынуждает ультразвуковые датчики работать в «слепой зоне». Другими словами, когда объект расположен очень близко, то отраженный сигнал возвращается в измерительную головку настолько быстро, что она еще не перестроилась на работу приема, вследствие чего объект не обнаруживается.

Рис 2

Продолжительность процессов перехода от излучателя до приемника зависит от различных факторов, которыми являются: особенности устройства датчика, материал изготовления, внутреннее затухание, общая колеблющаяся масса.

На рисунке 2 изображена схема функционирования датчика непосредственного обнаружения. С помощью импульса запуска схема возбуждения излучателя становится активной. Она формирует некоторый набор импульсов. Тем же импульсом запуска производится блокировка входа усилителя приемника. При отключении излучателя происходит разблокировка приемника.

Восстановление приемника происходит около 300 мкс. Это намного меньше времени успокоения излучателя. Вследствие этого параметры приемника не оказывают влияния на размер слепой зоны.

При нахождении объекта с необходимой способностью отражения в контролируемой зоне, отраженный сигнал возбуждает на мембране переменное напряжение высокой частоты, которое обрабатывается методами обнаружения сигналов аналогового типа: усиливается, ограничивается, приходит на компаратор.

Это напряжение превышает заданное значение порога обнаружения, что является сигналом того, что объект находится в контролируемой зоне. Схема электронного устройства фиксирует промежуток времени, который прошел с момента активации излучателя и создает на выходе электрический сигнал. Длина этого сигнала зависит от размера этого интервала времени, и передается на цифровой индикатор.

Схема управления после регистрации первого сигнала отражения задерживает создание следующего пускового импульса. При этом она ожидает вероятного прихода отраженного сигнала от наиболее удаленных объектов в контролируемой зоне.

Ультразвуковые датчики с двумя головками

Существенно сократить слепую зону можно путем использования двух разных головок датчика для приемника и излучателя. При этом необходимо создать наибольшую чувствительность схемы правильным выбором одинаковой частоты резонанса для приемника и излучателя.

Отслеживание порога

Размер слепой зоны является важным параметром ультразвукового датчика, который определяет его успех применяемости. Поэтому изготовители стараются снизить эту величину разными способами.

Для таких целей применяют метод отслеживания порога обнаружения. На малых расстояниях в течение процесса перехода сигнал успевает много раз пройти путь между объектом и сенсором. Точность обнаружения значительно уменьшается вследствие искажений, которые вносит сигнал с многократным отражением. Погрешность этого метода возрастает с приближением к объекту.

Это заставляет найти компромисс между точностью измерения, ложной тревоги и чувствительностью обнаружения. На рисунке 3 показан способ отслеживания порога обнаружения.

Рис 3

Он заключается в том, что напряжение порога детектора, которое подается на компаратор, создается напряжением, изменяемым во времени и копирующим форму «хвоста» набора импульсов, получаемых во время затухания колебаний мембраны.

Проблема заключается в том, что детектору неизвестно какой по счету из отраженных сигналов превзошел границу порога обнаружения. По рисунку видно, что второй из отраженных сигналов оказался зарегистрированным. Это привело к определению расстояния величиной, превышающей действительную величину в два раза. Такую ситуацию нельзя допускать, поэтому датчики подлежат настройке, во избежание попадания объектов в слепую зону.

Примерные свойства ультразвуковых датчиков в зависимости от расстояния приводятся в таблице

Использование способа отслеживания границы чувствительности дало возможность снизить слепую зону в два раза. Но для применения датчиков возле слепой зоны необходима тщательная проработка. Поэтому в свойствах датчика по расстоянию кроме интервала зондирования приведен интервал настройки.

Интервал зондирования – это интервал расстояния обнаружения, который определяется только возможностями датчика в виде направленности и мощности луча, а также свойствами объекта.

Интервал настройки – это интервал расстояний, в котором можно регулировать датчик по месту для его наилучшего применения в конкретном случае. При этом необходимо учитывать расположение объекта относительно датчика и его свойства.

Ультразвуковые датчики для непосредственного обнаружения объекта выполняются со средствами, которые позволяют произвести плавную настройку дальней и ближней границы измерения.

УЗИ: как они работают?

Ультразвуковое сканирование использует высокочастотные звуковые волны для создания изображения внутренней части тела. Подходит для использования во время беременности.

Ультразвуковое сканирование или сонография безопасны, потому что для создания изображения используются звуковые волны или эхо, а не излучение.

Ультразвуковые исследования используются для оценки развития плода, и они могут обнаружить проблемы в печени, сердце, почках или животе. Они также могут помочь в выполнении определенных видов биопсии.

Полученное изображение называется сонограммой.

Быстрые факты о ультразвуковом сканировании

Ультразвуковые сканирования безопасны и широко используются.
Они часто используются, чтобы проверить ход беременности.
Они используются для диагностики или лечения.
Перед ультразвуковым сканированием обычно не требуется специальной подготовки.

Лицо, которое выполняет ультразвуковое сканирование, называется сонографистом, но изображения интерпретируются рентгенологами, кардиологами или другими специалистами.

Сонограф обычно держит датчик, ручное устройство, похожее на палочку, которая помещается на кожу пациента.

Ультразвук — это звук, который распространяется через мягкие ткани и жидкости, но он отражается от плотных поверхностей. Вот как это создает изображение.

Термин «ультразвук» относится к звуку с частотой, которую люди не могут слышать.

Для диагностических целей ультразвук обычно составляет от 2 до 18 мегагерц (МГц).

Более высокие частоты обеспечивают более качественные изображения, но они легче поглощаются кожей и другими тканями, поэтому они не могут проникать так глубоко, как более низкие частоты.

Более низкие частоты проникают глубже, но качество изображения ниже.

Как захватить изображение?

Ультразвук будет проходить, например, через кровь в сердечной камере, но если он ударит сердечный клапан, он отзовется или отскочит назад.

Он будет проходить прямо через желчный пузырь, если нет камней в желчном пузыре, но если камни есть, он отскакивает от них.

Чем плотнее объект, по которому ударяет ультразвук, тем больше отскакивает ультразвук.

Этот отскок назад, или эхо, дает ультразвуковому изображению его особенности. Различные оттенки серого отражают различные плотности.

Ультразвуковые преобразователи

Преобразователь, или палочка, обычно располагается на поверхности тела пациента, но некоторые виды размещаются внутри.

Они могут обеспечить более четкие и информативные изображения.

Примерами являются:

эндовагинальный преобразователь, для использования во влагалище
эндоректальный преобразователь, для использования в прямой кишке
чреспищеводный преобразователь, передающийся через горло пациента для использования в пищеводе

Некоторые очень маленькие преобразователи могут быть размещены на конце катетера и вставлены в кровеносные сосуды для исследования стенок кровеносных сосудов.

Поделиться на PinterestУльтразвуковые изображения сделаны из отраженного звука, после чего можно поставить диагноз. Ультразвук

обычно используется для диагностики, лечения и для руководства во время таких процедур, как биопсия.

Его можно использовать для исследования внутренних органов, таких как печень и почки, поджелудочная железа, щитовидная железа, яички и яичники и другие.

Ультразвуковое исследование может выявить, является ли опухоль опухолью. Это может быть рак или заполненная жидкостью киста.

Может помочь в диагностике проблем с мягкими тканями, мышцами, кровеносными сосудами, сухожилиями и суставами. Он используется для исследования замороженного плеча, теннисного локтя, синдрома запястного канала и других.

Проблемы с кровообращением

Ультразвуковая допплерография позволяет оценить кровоток в сосуде или артериальное давление. Он может определить скорость кровотока и любые препятствия.

Эхокардиограмма (ЭКГ) является примером ультразвукового допплера. Он может быть использован для создания изображений сердечно-сосудистой системы и для измерения кровотока и движения сердечной ткани в определенных точках.

Ультразвуковая допплерография может оценить функцию и состояние областей клапанов сердца, любые нарушения в работе сердца, клапанную регургитацию или утечку крови из клапанов, и это может показать, насколько хорошо сердце откачивает кровь.

Он также может быть использован для:

обследовать стенки кровеносных сосудов
проверить на ТГВ или аневризмы
проверить сердце плода и сердцебиение
оценить нарастание бляшек и
оценить на предмет закупорки или сужения артерий

Каротидный дуплекс — это форма УЗИ сонной артерии, которая может включать ультразвуковое допплеровское исследование.Это покажет, как клетки крови движутся через сонные артерии.

Ультразвук в анестезиологии

Ультразвук часто используется анестезиологами для направления иглы с анестезирующими растворами вблизи нервов.

Ультразвук можно сделать в кабинете врача, в поликлинике или в больнице.

Большинство сканирований занимает от 20 до 60 минут. Обычно это не больно, и нет шума.

В большинстве случаев никакой специальной подготовки не требуется, но пациенты могут захотеть носить свободную и удобную одежду.

Если поражена печень или желчный пузырь, пациент может поститься или ничего не есть в течение нескольких часов до процедуры.

Для сканирования во время беременности и особенно на ранних сроках пациент должен пить много воды и стараться избегать мочеиспускания в течение некоторого времени перед тестом.

Когда мочевой пузырь заполнен, сканирование дает лучшее изображение матки.

Сканирование обычно проводится в отделении радиологии больницы. Врач или специально обученный сонографист проведут исследование.

Внешний ультразвук

Сонограф наносит смазывающий гель на кожу пациента и накладывает датчик на смазанную кожу.

Датчик перемещается по той части тела, которую необходимо осмотреть. Примеры включают ультразвуковое исследование сердца пациента или плода в матке.

Пациент не должен чувствовать дискомфорт или боль. Они просто почувствуют датчик на коже.

Во время беременности может быть небольшой дискомфорт из-за полного мочевого пузыря.

Внутренний ультразвук

Если необходимо оценить внутренние репродуктивные органы или мочевыделительную систему, датчик может быть помещен в прямую кишку для мужчины или во влагалище для женщины.

Для оценки какой-либо части пищеварительной системы, например пищевода, лимфатических узлов грудной клетки или желудка, можно использовать эндоскоп.

Свет и ультразвуковое устройство прикреплены к концу эндоскопа, который вводится в тело пациента, обычно через рот.

Перед процедурой пациентам дают лекарства, чтобы уменьшить любую боль.

Внутренние УЗИ менее удобны, чем внешние, и существует небольшой риск внутреннего кровотечения.

Большинство видов ультразвука неинвазивны и не связаны с воздействием ионизирующего излучения. Процедура считается очень безопасной.

Однако, поскольку долгосрочные риски не установлены, ненужные проверки на память во время беременности не приветствуются. УЗИ во время беременности рекомендуется только тогда, когда это необходимо с медицинской точки зрения.

Любой, у кого аллергия на латекс, должен сообщить своему врачу, чтобы он не использовал покрытый латексом зонд.

Как работают ультразвуковые датчики

Ультразвуковые датчики излучают акустическое переплетение между 20 герц и 20 килогерц и определяют расстояние. Ультразвуковые датчики могут использоваться во многих областях. Например, его можно использовать в качестве датчиков помощи при парковке в автомобилях.

Базовая работа ультразвукового датчика

Ультразвуковые датчики излучают ультразвуковые импульсы, которые распространяются в виде конусообразного луча, с помощью вибрирующего устройства, известного как преобразователь, генерирующего ультразвуковую волну. Частота вибрации преобразователя определяет дальность действия ультразвукового датчика.Звуковые волны передаются на все более короткие расстояния вместе с увеличением частоты. И наоборот, звуковые волны передаются на все большие расстояния с уменьшением частоты. Поэтому ультразвуковые датчики ближнего действия лучше всего работают на более высоких частотах, а ультразвуковые датчики дальнего действия лучше всего работают на более низких частотах.

Конфигурация имеет важное значение

В зависимости от применения ультразвуковые датчики бывают различных конфигураций и обычно используют один или несколько преобразователей.Если ультразвуковой датчик имеет несколько преобразователей, вы должны учитывать расстояние между преобразователями. Конусообразные лучи, излучаемые каждым из них, могут вызывать нежелательные помехи, если преобразователи расположены слишком близко друг к другу.

Слепая зона

Слепая зона — это непригодная зона, которая закрывается лицевой стороной датчика. Датчик не может точно принять эхо-сигнал, если луч завершает цикл обнаружения до того, как датчик завершит передачу.

Ультразвуковой датчик Best Practices

Размещайте ультразвуковые датчики перед материалами, которые легко отражают ультразвуковые волны, такими как металл, пластик и стекло, таким образом, они дают точные показания на большем расстоянии от объекта перед ним.Примечание: датчик должен двигаться ближе к объекту, чтобы дать точные показания, когда датчик расположен перед объектом, который легко поглощает ультразвуковые волны. Угол объекта будет влиять на точность чтения.

Ультразвуковые продукты, которые мы предлагаем

Французский Испанский Итальянский Немецкий Португальский (Португалия) Корейский Русский Турецкий Хинди

.Измерение расстояния

с использованием ультразвукового датчика Arduino: код и принципиальная схема

Ультразвуковые датчики являются отличными инструментами для измерения расстояния без фактического контакта и используются в нескольких местах, таких как измерение уровня воды, измерение расстояния и т. Д. Это эффективный способ точного измерения малых расстояний. В этом проекте мы использовали ультразвуковой датчик , чтобы определить расстояние препятствия от датчика. Основной принцип измерения ультразвукового расстояния основан на ECHO.Когда звуковые волны передаются в окружающую среду, они возвращаются к исходному состоянию в виде ECHO после удара по препятствию. Таким образом, нам нужно только рассчитать время прохождения обоих звуков, что означает исходящее время и возвращение времени к началу после удара по препятствию. Поскольку скорость звука нам известна, после некоторого расчета мы можем рассчитать расстояние.

Используемые компоненты

Arduino Uno или Pro Mini
Модуль ультразвукового датчика
16×2 LCD
Масштаб
Хлебная доска
9 вольт аккумулятор
Соединительные провода

Модуль ультразвукового датчика

Ультразвуковой датчик HC-SR04 используется для измерения расстояния в диапазоне от 2 до 400 см с точностью до 3 мм.Модуль датчика состоит из ультразвукового передатчика, приемника и цепи управления. Принцип работы ультразвукового датчика заключается в следующем:

Сигнал высокого уровня отправляется в течение 10 мкс с использованием триггера.
Модуль автоматически отправляет восемь сигналов 40 кГц, а затем определяет, получен импульс или нет.
Если сигнал получен, то это через высокий уровень. Большое время — это промежуток времени между отправкой и получением сигнала.

Расстояние = (Время х Скорость звука в воздухе (340 м / с)) / 2

Временная диаграмма

Модуль работает над естественным явлением ЭХО звука.Импульс посылается примерно на 10 мсек, чтобы запустить модуль. После чего модуль автоматически отправляет 8 циклов ультразвукового сигнала 40 кГц и проверяет его эхо. Сигнал после удара препятствием возвращается обратно и фиксируется приемником. Таким образом, расстояние от препятствия до датчика просто рассчитывается по формуле

Расстояние = (время х скорость) / 2.

Здесь мы разделили произведение скорости и времени на 2, потому что время — это общее время, необходимое для преодоления препятствия и возвращения обратно.Таким образом, время, необходимое для преодоления препятствия, составляет лишь половину от общего времени.

Схема и объяснение ультразвукового датчика Arduino

Принципиальная электрическая схема Arduino и ультразвукового датчика показана выше для измерения расстояния. В цепных соединениях контакты «триггера» и «эха» модуля ультразвукового датчика напрямую подключаются к контактам 18 (A4) и 19 (A5) Arduino. ЖК-дисплей 16×2 подключен к Arduino в 4-битном режиме.Управляющий контакт RS, RW и En напрямую подключен к контакту 2 Arduino, GND и 3. А контакт данных D4-D7 подключен к 4, 5, 6 и 7 разъема Arduino.

Прежде всего нам нужно запустить модуль ультразвукового датчика для передачи сигнала с помощью arduino, а затем дождаться получения сигнала ECHO. Arduino читает время между срабатыванием и полученным ECHO. Мы знаем, что скорость звука составляет около 340 м / с. так что мы можем рассчитать расстояние, используя данную формулу:

Расстояние = (время в пути / 2) * скорость звука

Где скорость звука около 340м в секунду.

16×2 ЖК-дисплей используется для отображения расстояния.

Узнайте больше о работе проекта измерения расстояния в этом руководстве: Измерение расстояния с помощью ультразвукового датчика.

Arduino Ультразвуковой датчик Код для измерения расстояния

В коде мы читаем время с помощью pulseIn (pin). Затем выполните вычисления и отобразите результат на ЖК-дисплее 16×2 с помощью соответствующих функций.

УЗИ

Диагностическое УЗИ. Диагностический ультразвук способен неинвазивно визуализировать внутренние органы тела. Тем не менее, он не подходит для визуализации костей или любых тканей, содержащих воздух, например, легких. При некоторых условиях ультразвук может отображать кости (например, у плода или у маленьких детей) или легкие и слизистую оболочку вокруг легких, когда они заполнены или частично заполнены жидкостью. Одним из наиболее распространенных применений ультразвука во время беременности является мониторинг роста и развития плода, но есть много других применений, включая визуализацию сердца, сосудов, глаз, щитовидной железы, мозга, груди, органов брюшной полости, кожи, и мышцы.Ультразвуковые изображения отображаются в 2D, 3D или 4D (это 3D в движении).

Ультразвуковой датчик (датчик) расположен над сонной артерией (вверху). Цветное ультразвуковое изображение (внизу слева) показывает кровоток (красный цвет на изображении) в сонной артерии. Изображение формы волны (внизу справа) показывает звук струящейся крови в сонной артерии.

Функциональный ультразвук. Функциональные ультразвуковые приложения включают допплеровское и цветное допплеровское ультразвуковое исследование для измерения и визуализации кровотока в сосудах внутри тела или в сердце.Он также может измерять скорость кровотока и направление движения. Это делается с использованием карт с цветовой кодировкой, называемых цветным доплеровским изображением. Допплеровское ультразвуковое исследование обычно используется для определения того, препятствует ли образование бляшек внутри сонных артерий кровоснабжению головного мозга.

Другой функциональной формой ультразвука является эластография, метод измерения и отображения относительной жесткости тканей, который можно использовать для дифференциации опухолей от здоровых тканей. Эта информация может отображаться в виде карт с цветовой кодировкой относительной жесткости; черно-белые карты, которые отображают высококонтрастные изображения опухолей по сравнению с анатомическими изображениями; или карты с цветовой кодировкой, которые накладываются на анатомическое изображение.Эластография может быть использована для проверки на фиброз печени, состояние, при котором чрезмерная рубцовая ткань накапливается в печени из-за воспаления.

Ультразвук также является важным методом для визуализации вмешательств в организме. Например, биопсия иглой под ультразвуковым контролем помогает врачам увидеть положение иглы, когда она направляется к выбранной цели, такой как масса или опухоль в груди. Кроме того, ультразвук используется для визуализации в реальном времени местоположения кончика катетера, когда он вставляется в кровеносный сосуд и направляется по длине сосуда.Он также может быть использован для малоинвазивной хирургии, чтобы направлять хирурга в режиме реального времени изображения внутренней части тела.

Терапевтический или интервенционный ультразвук. Терапевтический ультразвук обеспечивает высокий уровень акустической мощности, который можно сфокусировать на конкретных мишенях с целью нагревания, абляции или разрушения ткани. В одном из видов терапевтического ультразвука используются высокоинтенсивные звуковые пучки с высокой направленностью, и он называется высокоинтенсивным сфокусированным ультразвуком (HIFU).HIFU исследуется как метод модификации или разрушения больных или аномальных тканей внутри тела (например, опухолей) без необходимости открывать или разрывать кожу или наносить ущерб окружающей ткани. Либо УЗИ, либо МРТ используется для идентификации и нацеливания ткани, подлежащей лечению, для направления и контроля лечения в режиме реального времени, а также для подтверждения эффективности лечения. HIFU в настоящее время одобрен FDA для лечения миомы матки, для облегчения боли от костных метастазов, и совсем недавно для удаления ткани предстательной железы.HIFU также исследуется как способ закрыть раны и остановить кровотечение, разрушить сгустки в кровеносных сосудах и временно открыть гематоэнцефалический барьер, чтобы лекарства могли проходить через него.

Датчик