Ультразвуковые томографы

В медицинской практике используют линейное, секторное. дуговое и комбинированное сканирование.

Линейное -"а", секторное- "б", дуговое-"в" сканирование

При линейкам сканировании угловое направление УЗ луча не меняется, а источник перемещается вдоль одной из координат. При векторном сканировании изменяется угловое направление ультразвукового луча (±45 град.) При дуговом сканировании УЗ луч перемещается в плоскости сканирования по дуге окружности. Комбинированное - сочетание линейного с секторным, линейного с дуговым и др.

В УЗ томографах желательно сформировать как можно более узкий акустический луч, что позволит более точно определить размеры и конфигурацию внутренних органов. Фокусировка может быть сферической (УЗ- лучи собираются в одну точку) или цилиндрической (УЗ-лучи фокусируются в линию, параллельную рабочей поверхности преобразователя). Для изготовления УЗ-линз используют оргстекло, смолы или алюминиевые сплавы. Активные фокусирующие концентраторы выполняют из пьезопластин.

Варианты фокусирующих УЗ- преобразователей: а- активный концентратор; б- концентратор в виде ускоряющей линзы; в- концентратор с рефлектором (зеркалом)

Также в УЗ- томографах применяются многоэлементные УЗ- преобразователи, возбуждаемые персонально и состоящие из нескольких десятков узких пьезопластин, разделенных экранирующими прослойками -" сканирующими антенными решетками".

Сканирующая антенная решетка: 1- пьезопластина; 2- акустические экраны; 3- выводы от электродов пьезопластины

В - режим: ось абсцисс соответствует направлению сканирования объекта зондом, а ось ординат представляет собой время возвращения отраженного зондирующего эхо-сигнала (глубину залегания). Сканирование объекта выполняется механическим путем с помощью одноэлементного зонда или электронным путем с помощью неподвижного многоэлементного зонда. При использовании внутриполостных зондов обычно применяют секторное сканирование.

Получение эхограммы в режиме В

С - режим: - получение срезов, параллельных поверхности исследуемого объекта. Используют линейные многоэлементные преобразователи. в которых поперечное сканирование (быстрая строчная развертка) осуществляется электронным путем, а продольное сканирование (медленная покадровая развертка) - механическим перемещением всей линейки относительно исследуемого объекта.

Получение эхограммы в режиме С

Амплитуда отраженных сигналов используется для модуляции яркости соответствующей точки изображения. В результате получаем полутоновое изображение - контур интересующего объекта. Чтобы повысить четкость изображения (смазанные картины в результате наложения сигналов от поверхностей, залегающих на разных глубинах) используют короткие стробирующие импульсы, смещающие на определенный интервал времени сигналы, отраженные с определенной глубины.

М - режим - для отображения динамики подвижных структур. Развертка луча производится в вертикальном направлении. Каждый новый цикл развертки производится через определенный интервал времени, что обеспечивает временное смещение строки на один шаг. В результате изображение получается в координатах «глубина-время» (исследование динамики работы сканируемых органов).

Наиболее информативными являются трехмерные изображения, которые с помощью современных средств вычислительной техники реконструируются по набору срезов плоских изображений.

Сканирующие устройства делятся на механические и электронные. В механических используется электромеханический привод, с помощью которого изменяется положение электроакустического преобразователя относительно исследуемого объекта. для поддержания надежного контакта используют специальный гель или минеральные масла (ими смачиваются поверхности электроакустические преобразователя и исследуемого объекта). В устройствах с механическим сканированием обычно используются одиночные пьезопреобразователи.

Конструкция механического сканера: 1- кабель; 2- корпус сканера в виде рукоятки; 3- двигатель; 4- гибкий вал; 5- УЗ- преобразователь; 6- УЗ плоскофокусированный луч; 7- акустическое окно

Применяются также механические преобразователи с секторным сканированием, внутриполостные (урология, кардиология). При векторном сканировании наблюдают движение отдельных органов.

Электронное сканирование (наиболее перспективное) - используются многоэлементные УЗ- преобразователи, представляющие линейку пьезопреобразователей. Каленый элемент линейки используется и для возбуждения, и для приема УЗ-колебаний. На практике применяют последовательное и параллельное возбуждение пьезоэлементов. Регулируя величину задержки реализуют электронное секторное сканирование. С помощью фазовых задержек сигналов управления по группам элементов антенной решетки реализуют электронное фокусирование УЗ-луча. Временные задержки создаются фазирующими устройствами. Фазирующие устройства могут быть построены по последовательной, параллельной и смешанной (удается уменьшить время задержки у параллельных элементов и снизить влияние ошибок задержки у отдельных, последовательно включенных элементов задержки) схемам включения элементов задержки.

Наиболее эффективно применять УЗ электроакустические преобразователи, пьезоэлементы у которых последовательно коммутируются электронными ключами. Каждый пьезоэлемент поочередно подсоединяется к генератору. Перемещение УЗ луча в таких устройствах достигается путем последовательного электрического переключения пьезоэлементов матрицы. Чаще всего используются линейные и веерные матрицы пьезоэлементов. Благодаря небольшой массе, малой стоимости и простоте управления элементами матриц сканирующие устройства этого типа считаются наиболее перспективными. Число коммутируемых элементов в них достигает 320 и более. При этом основной проблемой является обеспечение идентичности каждого элемента матрицы.

Структурная схема УЗ- сканера с механическим сканированием и реконструкцией изображений в ПЭВМ

Формирователь сигналов координат, направления и времени (ФСКНиВ) - формирование этих сигналов для воспроизведения на экране ЭВм. Для возбуждения зондирующего УЗ-импульса на зонд от генератора импульсов возбуждения (ГИВ) подается короткий электрический импульс амплитудой 100-200 В. В ответ на возбуждающий импульс преобразователь на своей резонансной частоте вырабатывает УЗ- импульс (3-4 периода колебаний). Резонансная частота преобразователя выбирается исходя из глубины залегании исследуемых структур. Для зондирования достаточно глубоко расположенных органов (сердце, желудок. печень и др.) выбирается частота 3-5 МГц, для структур, расположенных ближе к поверхности (щитовидная железа. молочные железы). выбирают частоту 4-10 МГц. Частота повторений зондирующих импульсов задаётся генератором синхроимпульсов (ГСхИ) (определяется временем. необходимым для распространения ультразвука до самой глубокой из обследуемых структур и обратно, чтобы следующий зондирующий импульс (ЗИ) не накладывался на отражённый сигнал (ОтС)). Эти же синхроимпульсы используются для синхронизации сигналов через временной автоматический регулятор усиления (ГСВАРУ), через схему задержки синхроимпульсов (СЗИ). Импульсы с ГСхИ через СЗИ постулат в ЭВМ для формирования кадра изображения.

Отражённый эхо-сигнал усиливается предварительным высокочастотным усилителем (ВЧПУ) и поступает на усилитель с временной автоматической регулировкой усиления (УВАРУ) (коэффициент усиления которого автоматически меняется синхронно с формированием зондирующих импульсов). УВАРУ нужен в связи с тем, что из-за сильного затухания ультразвука в тканях человека, а также из-за расхождения ультразвукового луча, эхо-сигналы, отражённые от разных структур, сильно различаются (до 10000 раз). После УВАРУ различия а амплитудах сигналов будут определяться только различиями в отражающей способности этих структур. Чтобы не потерять сигналы от слабоотражающих поверхностей используют логарифмические усилители (ЛУ) (с логарифмической характеристикой коэффициента усиления от амплитуды сигнала). В УЗ- сканерах, не использующих ЭВМ, сигнал после ЛУ детектировался детектором (Дт) и подавался на модулятор ЭЛТ. В компьютерных УЗ- томографах после детектора сигнал дискретизируется АЦП и записывается в экранную память ЭВМ, где после обработки выводится на экран дисплея. В описанном варианте реализуется В-режим визуализации. Для реализации С-режима в схему добавляются генератор стробимпульса с регулируемой задержкой (ГСИРЗ) и селектор (Сл), которые позволяют из всего эхосигнала выделять и пропускать в ЭВМ для запоминания только короткие фрагменты сигналов, соответствующие определенной глубине проникновения ультразвука. Сканирование производится по двум координатам.

Структурная схема УЗ избирательной системы со сканированием луча

Генератор электрических импульсов (ГЭИ) вырабатывает электрические импульсы, которые возбуждают электроакустический преобразователь (ЭП). Он излучает акустические УЗ колебания, им же воспринимаются УЗ импульсы, отраженные от акустических неоднородностей объекта. Они преобразуются в электрический сигнал и подаются на вход приемника эхо-сигналов (ПрЭс), представляющего собой усилитель, коэффициент усиления которого изменяется корректором усиления (КУ). Приемник выделяет полезные сигналов на уровне шумов и помех, сжатие динамического диапазона, предварительная обработка. Сигналы с ПрЭс подаются в запоминающее устрой (ЗУ), где запоминаются их значения, время задержки относительно зондирующего импульса и положение координаты, в которой осуществлялось воздействие. Корректор координаты (КК) обеспечивает уточнение координаты гири конкретно виде сканирования. Запомненная информация считывается визуализируется с помощью устройства считывания и визуализации информации (УСВИ). Вид сканирования задаётся с помощью устройства сканирования (УС). Управление работой системы и синхронизация работы отдельных функциональных устройств осуществляется с помощью блока синхронизации и управления (БСУ). Коррекция положения УЗ луча осуществляется корректором (КУЗЛ).

Использование ПЭВМ в составе УЗ томографов позволяет из плоских томограмм синтезировать трёхмерное изображение объектов, применять цифровую фильтрацию, улучшающую качество изображений, выделять зоны особого интереса и решать диагностические задачи в автоматическом режиме, вести архивы видеоизображений и истории болезней и т.д.