Ультразвукові датчики (sensors), які використовуються в ехокардіографії розділяються на
три основні групи: транскутанні, внутрішньопорожнинні та інтраопераційні.

Транскутанні датчики, які призначені для сканування об'єктів в режимі реального часу, бувають двох видів – механічні й електронні. Механічні датчики підрозділяються на ротаційні – випромінювальна пластина змонтована на обертовому валу; хитні – одноелементний датчик, скануючий по сектору під дією механічної чи магнітної сили; стаціонарні – сканування забезпечується рухливим дзеркалом, закріпленим напроти нерухомого датчика. Системи електронного сканування підрозділяються на фазовані секторні, лінійні і комбіновані. Механічні стаціонарні й електронні лінійні системи не знайшли широкого застосування в ехокардіографії.

В даний час вартість електронних секторних датчиків з фазованою граткою вища за вартість механічних датчиків. Електронна схема механічного датчика значно простіша, а основу обертової частини складає мініатюрний мотор. Відмінністю фазованих датчиків є досить складна електронна схема керування, а сама випромінювальна частина являє собою твердотільний блок. Площа, необхідна для контакту механічному датчику, трохи більша, ніж для електронного датчика. Розміри механічного ротаційного датчика більші, ніж розміри хитного датчика і обмежуються розмірами мотора і обертального вала. При досить досконалій технології розміри електронного датчика можуть бути менші за розміри механічного датчика.

Рисунок 2.22 – УЗД апарат СОНОЛАЙН-АЦ (Сименс)

Визначальними параметрами при оцінці якості зображень, отриманих на механічних і електронних датчиках є аксіальна і азимутальна пропускні здатності, динамічний діапазон, просторове квантування та ін. Аксіальна пропускна здатність і динамічний діапазон практично не залежать від типу сканування. В механічних сканерах використовуються кільцеві випромінюючі елементи, що дозволяє одержати результувальний профіль ультразвукового променя симетричним відносно осі обертання, при цьому відношення головної пелюстки до бічних визначається функцією Бесселя. Фокусування променя досягається застосуванням лінз з фіксованим фокусом чи ввігнутою поверхнею елемента. Конструкція ротаційного датчика дозволяє використовувати одночасно кілька випромінювачів з різними фокусними відстанями, в результаті чого може бути створена система з зонним фокусуванням. Загальним для всіх механічних систем є сталість пропускної здатності і чутливості для різних кутів сканування. Профіль ультразвукового променя в електронних секторних сканерах є несиметричним, а кутова пропускна здатність контролюється електронними елементами, розміщеними у певній послідовності в матриці. Час для формування нового електронного променя складає кілька мікросекунд, що дозволяє досягти високих значень частоти кадрів сканування і щільності рядків, які обмежуються тільки швидкістю поширення ультразвуку в середовищі. В електронних системах пропускна здатність і чутливість змінюються залежно від кута і при максимальних кутах відхилення досягають найгіршого значення.

Одним з недоліків конструкції механічних датчиків є ревербераційні ефекти, які виникають в узгоджувальній рідині. В електронних системах джерелами таких перешкод є узгоджувальна лінза і демпфувальний шар. При відповідному підборі параметрів цих середовищ артефакти можуть бути зведені до мінімуму. Механічні сканери не мають обмежень за частотою ультразвуку, що використовується, у той же час для електронного сканування виготовлення датчиків на частоті більше 5 МГц пов'язано з деякими технологічними труднощами, викликаними гранично малими розмірами окремих елементів матриці.

Перевагою систем електронного сканування є більш широкі можливості для одержання одночасно з двовимірною інформацією даних в М-режимі сканування за обраним рядком і допплерівської інформації. Відзначається ряд експлуатаційних обмежень механічних систем, в яких згодом необхідно виконувати дегазацію узгоджувальної рідини і замінювати деталі двигуна.

Результатом порівняльного аналізу є висновок про деяку перевагу систем механічного сканування порівняно з електронними фазованими матрицями ФМ (FA), передусім за параметрами ціни, технологічності виготовлення, якості зображення.

При оптимізації конструкції ультразвукових перетворювачів найчастіше використовують так звану КLМ-модель, яка полягає у виборі характеристик для оптимізації і визначенні їх відносної ваги в оптимізаційному критерії. Стратегія оптимізації базується на евристичному методі, що складається в систематичній зміні конструктивних параметрів датчика з подальшим розрахунком експлуатаційних параметрів, обраних як функціональний критерій. Ці параметри підбираються з урахуванням зручності автоматичної оптимізації на ЕОМ, тобто їхні функції повинні бути неперервні при зміні вхідних параметрів. З урахуванням даної обставини експлуатаційні характеристики розбиті на дві групи: традиційні, що використовуються при звичайному аналізі, і нетрадиційні, введені спеціально для автоматичного аналізу. У першу групу ввійшли такі: фракційна смуга частот, втрати енергії при подвійному проходженні відстані до об'єкта, тривалість обвідної ехо-сигналу на рівні – 20 дБ, центральна частота, що відповідає максимуму потужності, динамічний діапазон. Основними параметрами в другій групі є: центроїдна частота амплітудного спектру ехо-сигналу, енергетичний коефіцієнт подвійного переходу, визначений на всьому спектрі ехо-сигналу.

Як вхідні параметри оптимізації використовуються: акустичний опір демпфувального матеріалу, товщина PZT кераміки, опір і товщина внутрішнього чвертьхвильового узгоджувального шару.

Коефіцієнти маси при оптимізації повинні підбиратися з урахуванням відповідної області застосування ультразвукового датчика - наприклад неруйнуючий контроль, медична візуалізація, ехографічне дослідження тканин. При використанні ультразвукових датчиків у медичній діагностиці основною задачею є одержання двовимірних напівтонових зображень. Для одержання високоякісних зображень анатомічних структур потрібні висока пропускна здатність, великий динамічний діапазон і висока чутливість. Осьова пропускна здатність визначається тривалістю зондувального акустичного імпульсу, тобто амплітудним і фазовим спектром сигналу. Враховуючи можливі обмеження при визначенні міри лінійності фазового спектра, функціональний критерій, як правило, визначають у тимчасовій області. Центроїдна частота при даному дослідженні підтримувалася в досить обмежених межах (7,0±0,5 МГц).

Для ультразвукової характеризації тканин потрібні відмінні від попереднього випадку умови: широкосмуговий перетворювач, висока чутливість, менш жорсткі вимоги до тривалості імпульсу. З урахуванням цього фазовий спектр і динамічний діапазон менш важливі при виконанні оптимізаційної процедури. Як експлуатаційні характеристики вибираються – мінімальна смуга частот, що охоплює 99,76% площі спектра імпульсу, енергетичний коефіцієнт подвійного переходу, мінімальна тривалість часової обвідної, фракційна смуга частот.

На рис. 2.23 показані основні датчики, що використовуються в УЗД системі SDL-310 (ШИМАДЗУ, Японія).

ЗМІСТ