Ультразвуковые медицинские диагностические устройства. Часть 1. Принципы работы

Современные ультразвуковые сканеры (пример на рис. 4) включают в себя разнообразные компоненты для обеспечения высокого качества диагностики. Среди этих компонентов можно выделить устройства ввода для управления системой, монитор для визуализации изображений, динамики для прослушивания спектрального доплеровского режима, а также разъемы для подключения различных датчиков. В дополнение к этим основным элементам сканеры могут быть оснащены термопринтером для печати изображений и отчетов, входом для электрокардиографа, а также кассетными или дисковыми приводами для хранения данных и загрузки необходимого программного обеспечения.

Отдельное внимание стоит уделить мобильности современных ультразвуковых сканеров. Многие из них спроектированы таким образом, чтобы их можно было легко транспортировать внутри больницы или поликлиники, что значительно упрощает их использование в различных отделениях. Кроме того, существуют портативные модели, которые своим внешним видом напоминают ноутбук, и ультрапортативные устройства, которые можно носить в кармане, что делает их незаменимыми в полевых условиях и при оказании неотложной помощи [4]. На рис. 3 представлена более детальная схема основных узлов ультразвукового медицинского диагностического устройства. Далее рассмотрим каждый из них подробнее.

Рисунок 3 — Блок-схема сканера [5] с указанием основных функциональных узлов

1.2.1. Датчики

Датчик ультразвукового сканера — это ключевой элемент, который играет роль «моста» между электроникой и телом пациента. Он преобразует электрические сигналы в ультразвуковые колебания, посылая их в ткани пациента. Затем приемник в датчике ловит эхо, отраженное от внутренних органов, и преобразует его обратно в электрический сигнал.

Идеальный датчик должен обладать следующими характеристиками:

— Высокая эффективность излучения: датчик должен эффективно преобразовывать электрический сигнал в ультразвуковой импульс, посылая достаточно сильный сигнал в ткани.

— Высокая чувствительность приема: датчик должен быть достаточно чувствительным, чтобы зафиксировать слабые отраженные сигналы, возвращающиеся от тканей.

— Оптимальные характеристики импульсов: ультразвуковые импульсы, излучаемые датчиком, должны иметь строго определенные характеристики (длительность, частота), что гарантирует качественное изображение.

— Широкий диапазон приема: датчик должен принимать широкий диапазон частот, отраженных от разных тканей, что позволяет получить более детальную картину внутренних структур.

УЗИ-датчики состоят из пьезоэлектрических кристаллов, которые генерируют и принимают ультразвуковые волны. Когда на пьезокристаллы датчика подают высоковольтные импульсы, они начинают вибрировать.

Частота этих вибраций определяет длину волны ультразвука, а она в свою очередь влияет на качество изображения. Чем выше частота, тем короче волна — и тем более четким становится изображение, позволяя разглядеть мелкие детали. Однако чем выше частота, тем быстрее ультразвук поглощается тканями, уменьшая глубину проникновения в тело.

Таким образом, датчики с высокой частотой колебаний обеспечивают лучшее разрешение изображения при исследовании поверхностных тканей, тогда как низкочастотные датчики позволяют визуализировать более глубоко расположенные органы, уступая при этом высоким частотам в качестве изображения. Это различие является ключевым фактором при выборе датчиков. Существуют различные типы датчиков (рис. 4), их выбор зависит от интересующего органа:

— Низкочастотные датчики (2—5 МГц) лучше подходят для глубокого проникновения, например для обследования брюшной полости.

— Высокочастотные датчики (7—15 МГц и выше) используются для поверхностных сканирований с высокой разрешающей способностью, таких как сканирование кожи, поверхностных сосудов и мелких органов.

Дизайн датчиков для ультразвукового исследования значительно усовершенствован к настоящему времени. Вместо использования передвигающегося одноэлементного датчика, как это было на заре развития ультразвуковой визуализации [6], теперь применяются многоэлементные датчики с электронным сканированием. Это обновление привело к улучшению качества изображений и расширению применения ультразвуковых технологий в области медицины. Такие датчики состоят из нескольких десятков или сотен пьезокерамических элементов, которые образуют решетку. Каждый элемент способен работать как на излучение, так и на прием сигнала, и их функционирование контролируется через подачу электрических импульсов с различными задержками на соответствующие элементы решетки. Этот принцип лежит в основе работы большинства современных ультразвуковых приборов [7].