Обзор УЗИ: Как количество пьезоэлементов в датчике УЗИ влияет на качество изображения?

Построение изображения на ультразвуковом сканере зависит от нескольких факторов: во-первых, от самого аппарата, его класса, технических возможностей, функций и опций, а во-вторых, ультразвукового датчика, который непосредственно отправляет и принимает ультразвуковые волны. Если кратко, то чем выше класс аппарата ультразвуковой диагностики, тем, соответственно, выше качество получаемого изображения за счет технологичности и возможностей постобработки изображения. А вот разные датчики на одном и том же сканере могут выдавать изображение качеством и лучше, и хуже. Это будет зависеть от устройства самого датчика. Чтобы понять, как распространяются ультразвуковые волны и как они влияют на качество изображения, нужно разобраться со строением датчика УЗИ. С этого и начнем.

 

Датчик, или по-другому ультразвуковой преобразователь, состоит из акустической линзы, согласующего слоя, решетки пьезоэлементов (пьезоэлемента), демпфера и токопровода. Пьезоэлементы преобразуют электрические сигналы, поступающие из электронного прибора по токопроводу, в ультразвуковые сигналы (обратный пьезоэффект). Способность преобразовывать механические (ультразвуковые) колебания в электрическое напряжение называется наоборот, прямым пьезоэффектом. Демпфер частично смягчает механические колебания пьезоэлемента, помогает максимально расширить полосу ультразвуковых частот, что повышает продольную разрешающую способность, а также поглощает излучение тыльной стороны пьезоэлемента. Согласующие слои служат для согласования акустических сопротивлений материала пьезоэлемента и биологических тканей, наносятся на рабочую (излучающую и принимающую сигналы) поверхность пьезоэлемента. Ну и акустическая линза, она фокусирует луч УЗ, обеспечивая минимальную ширину луча в определенном диапазоне глубин и улучшая разрешающую способность. Итак, из прибора УЗИ поступает электрический сигнал, преобразуется в датчике в ультразвук, проходит в ткани и отражается от них обратно, затем датчик принимает эти сигналы и вновь преобразовывает их в электрические импульсы, которые обрабатываются прибором и в итоге получается изображение на экране аппарата.

 

Важнейшей составляющей в данной схеме является пьезоэлемент, генерация ультразвуковых волн происходит именно за счет пьезоэлемента. Чем больше элементов в датчике при одинаковой апертуре, тем выше плотность акустических линий, лучше пространственное разрешение и четче изображение. Необходимо также учесть количество каналов, принимающих сигнал, чем больше каналов, тем большее количество элементов могут одновременно излучать/принимать сигнал. Как правило, в большинстве аппаратов даже высокого класса каналов значительно меньше, чем элементов в датчиках. Разберем на примере. N - число элементов в датчике, M - число каналов, L - длина рабочей поверхности апертуры датчика, K = N - M - это количество лучей (акустических строк). Пусть датчик будет с N=128, M=32, L=96 мм. Лучи формируются по порядку, с 1-го по 32-й элементы (называемые подрешёткой, она образует один луч), затем образуется новая подрешетка со 2-й по 33-й элемент (второй луч) и так далее. Расстояние между подрешётками (шаг решётки) равен L/N, в нашем случае он будет 0,75 мм. Количество строк K = 128 - 32 = 96 - столько лучей будет получено в результате с расстоянием 0,75 мм. Расстояние между лучами слишком велико, так как ширина луча в зоне фокуса может быть меньше этого интервала, что приводит к ухудшению качества изображения.

 

В высокоплотных датчиках за счет увеличения числа элементов (и каналов), расстояние между строками уменьшается, а качество изображения, соответственно, увеличивается. Однако такой принцип "чем больше элементов в датчике, тем качественнее изображение" не работает в матричных датчиках. Матричный датчик представляет собой несколько слоев элементов, как бы положенных друг на друга. При этом расстояние между элементами такое же, как в обычном датчике или даже больше.