Ден Томел - Поиск неисправностей в электронике

Ультразвуковое диагностическое оборудование

Ультразвуковые технологии были разработаны во время Второй мировой войны для морских систем эхолокации. Сегодня те же принципы используются для получения информации состоянии тела человека без хирургического вмешательства. Звуковое и ультразвуковое оборудование основано на том факте, что звук имеет известную скорость. Когда звуковые волны встречают границу раздела материалов с разной плотностью, часть энергии отражается назад к источнику. Измеряя время, которое прошло между созданием исходного импульса и возвращением «эха», можно определить расстояние до объекта.

Частота ультразвуковых волн выше 20 кГц. Обычно их генерируют, заставляя пьезоэлектрический кристалл вибрировать на его собственной резонансной частоте с помощью приложения импульсного переменного высокого напряжения к его граням. По мере того как звуковой импульс идет от преобразователя, он ослабевает. Если он встречает изменение в плотности среды, только часть звука отражается и возвращающийся сигнал ослабевает еще больше. Следовательно, эхо от близлежащих объектов значительно сильнее отражения от объектов, расположенных далеко. Для компенсации этого эффекта схема приемника эха должна увеличивать свой коэффициент усиления вместе с отсчетом времени от начального звукового импульса. Выполняющая эту регулировку схема называется дифференциальной регулировкой усиления, и ее работа показана на рис. 10.28. После получения всего отраженного импульса генерируется следующий импульс, и процесс повторяется.

Рис. 10.28. Дифференциальная регулировка усиления ультразвуковых сигналов

Существует много способов отображения информации, полученной с помощью подобного эха. A-режим дает информацию о расстоянии между границами и величине эха, которая представляет собой количественную оценку разности плотности между двумя веществами на границе. Этот тин информации можно получить с помощью осциллографа, как показано на рис. 10.29.

Рис. 10.29. Пациент в цилиндре для сканирования установки ЯМР

Толстый хрящ возле виска дает сильное эхо. тонкая граница перегородки, разделяющей мозг, дает меньшее эхо, череп или хрящ на другой стороне головы — сильное эхо.

Этот режим предназначен для наблюдения движения тканей, например, сердца. Вместо того чтобы подавать эхо-сигнал на вертикальную ось, как это имеет место в осциллографе, он подается на ось z (интенсивность). Сильное эхо вызывает на экране яркую точку, слабое эхо дает более тусклую точку. Светочувствительная бумага, проходящая через электронно-лучевой дисплей с одной линией элементов со скоростью около 25 мм/с, даст распечатку эхосигнала в М-режиме. Обратите внимание на рис. 10.30-удары сердца заставляют аорту двигаться немного ближе к преобразователю и дальше от него.

Можно видеть, что клапан перемещается вперед и назад в основании аорты при каждом ударе сердца.

Рис. 10.30. Изображение сердечного клапана в М-режиме

Наиболее удивительная форма ультразвукового изображения — сканирование в В-режиме — выполняется с помощью перемещения преобразователя по дуге с повторяющимися импульсами и дает веерообразный разрез исследуемой ткани, образованный множеством векторов наблюдения, как показано на рис. 10.31.

Рис. 10.31. Работа секторного сканера в В-режиме

Каждое возвращающееся эхо представлено в виде точки, интенсивность которой индивидуальна для каждого текущего вектора сканирования. При одновременном показе всех векторов сканирования можно видеть границу ткани, как показано на рис. 10.31.

Реальный вид в М-режиме четырех камер сердца показан на рис. 10.32. Для получения изображения преобразователь помещается под грудной клеткой и направляется на сердце. Поэтому верхушка и левый желудочек находятся в верхней части экрана.

Рис. 10.32. Сканирование сердца в В-режиме

Одним из способов получения такого дугового изображения из ультразвуковых векторов является построение вращающегося преобразователя. Эти устройства имеют встроенный в конец преобразователя двигатель. Электрические импульсы возбуждения кристалла поступают от электронного блока через кольца коммутатора, которые позволяют кристаллу вращаться. При достижении заданного угла кристалл испускает быструю последовательность импульсов, позволяющую сформировать векторы звуковых волн и получить информацию об эхе. Преимущество этого метода заключается в использовании одного кристалла преобразователя и связанной с ним схемы приема и передачи. Основной недостаток заключается в том, что в преобразователе появляются движущиеся части, что делает его очень уязвимым к физическому повреждению, механическому износу и может вызвать шумы в сигнале.

Другим вариантом является ультразвуковой датчик для конвергентного сканирования снабженный множеством отдельных кристаллов, образующих прямую линию. Каждый кристалл имеет свою цепь передачи и приема. Управляя порядком включения кристаллов можно генерировать определенную волну, которая будет направлена но радиальной линии сектора. Этот сигнал принимается и усиливается каждым кристаллом, затем сигналы суммируются и дают один вектор сканирования. Преимущество этого датчика заключается в том, что вектор формируется без использования движущихся частей. Обычно преобразователи ультразвуковых датчиков для конвергентного сканирования меньше, чем преобразователи с вращающейся головкой.

Изготовить головку преобразователя с множеством мелких кристаллов достаточно сложно и очень дорого. Множество плат приемников и передатчиков увеличивает стоимость систем с ультразвуковыми датчиками конвергентного сканирования, но это может оказаться полезным при обслуживании таких устройств. Типичный секторный сканер показан на рис. 10.33. Ультразвуковой датчик для конвергентного сканирования находится слева от прибора, а на экране показано сохраненное изображение.

Рис. 10.33. Типичный секторный сканер для эхокардиографии