Реферат: Датчики УЗ сканеров

Рисунок 4. Сканирование механическим секторным датчиком

На экране монитора изображение сечения органа или структуры получается из яркостных меток, расположенных вдоль УЗ луча. Дискретность изображения зависит от количества УЗ лучей – желательно, чтобы их было как можно больше. Механические секторные датчики имеют относительно небольшую частоту качаний – 10 – 15 в секунду (под качанием будем понимать перемещение пьезоэлемента из одного крайнего углового положения в другое). Если принять максимальную глубину локации Zмакс равной 200 мм, то время движения УЗ луча в оба конца составит Тмакс = 2Zмакс/c = 270 мкс. Нетрудно рассчитать, что при частоте качаний, равной 10 1/c, один кадр УЗ изображения будет содержать около 300 лучей. На практике их число выбирают равным 128 или 256.

Для адекватного воспроизведения УЗ изображения на экране монитора необходимо знать точное угловое положение пьезоэлемента. Оно определяется с помощью специального датчика углового положения, который входит в состав УЗ датчика. Определенную проблему для разработчиков УЗ сканеров создает малая частота качаний пьезоэлемента. В аналоговых моделях УЗ аппаратов это приводило к мерцанию изображения на экране, ухудшало его восприятие и утомляло зрение. В цифровых аппаратах при той же частоте качаний пьезоэлемента этот недостаток отсутствует.

Основу линейного датчика составляет многоэлементная пьезорешетка, или матрица. Она состоит из большого числа пьезоэлементов (от 50 до 300), разделенных между собой слоем изоляции (рис. 5). Ширина пьезоэлемента, включая толщину изоляции, d называется шагом решетки. При длине датчика около 100 мм и числе элементов, равном 200, dмм.

…

d

…

1 2 3 … nN

Объект

Рисунок 5. Сканирование линейным датчиком

Ввиду малости апертуры элемента решетки (d) его УЗ луч будет сильно расходящимся, а мощность излучения – чрезвычайно малой. Поэтому объект сканируют группой из n элементов, которую будем называть апертурой датчика. При этом решают сразу две проблемы – обеспечивают достаточную мощность излучения и осуществляют фокусировку луча и эхо-сигналов. Апертура датчика обычно содержит от 16 до 32 элементов. С помощью электронных средств управления – ключей и сдвигающих регистров – осуществляют перемещение результирующего луча вдоль решетки. На каждом шаге апертура датчика излучает УЗ колебания и принимает эхо-сигналы, т.е. формирует строку УЗ изображения. Очевидно, что общее количество таких строк равно Nстр = N – n + 1, где N – число элементов пьезорешетки. Например, чтобы получить 256 строк УЗ изображения при n = 32, необходимо N = 287. Заметим, что некоторые фирмы (Toshiba), производящие УЗ аппаратуру, применяют сканирование с чередующимся числом n элементов апертуры, например 48 – 47. Тем самым получают шаг сканирования, равный d/2, т.е. увеличивают число строк вдвое по сравнению с числом элементов. Разумеется, для этого требуются более сложные аппаратные (и программные) средства.

Коммутирующие ключи, через которые к пьезоэлементам подводятся импульсы возбуждения и передаются электрические эхо-сигналы, объединяются в группы с шагом n: 1-й – с n + 1-м, 2n + 1-м, 3n + 1- м и т.д.; 2-й – с n + 2-м, 2n + 2-м, 3n + 2-м и т.д. Таким образом, формируются n электрических каналов, по которым передаются и импульсы возбуждения и электрические эхо-сигналы.

Как уже отмечалось, важным достоинством линейных датчиков является возможность электронной фокусировки УЗ луча и эхосигналов. Будем называть их соответственно фокусировкой при передаче и при приеме. Сущность первой поясняет рис. 6.

1 2 3 4 5 6 7 8 … N

L

L

Объект

F

Рисунок 6. Фокусировка УЗ луча линейным датчиком

Пусть апертура датчика состоит из восьми элементов. Обозначим буквой F фокус – точку, в которой сходится УЗ луч. Физический смысл фокусировки состоит в том, чтобы обеспечить одновременный приход фронтов УЗ колебаний от отдельных элементов в заданную точку (фокус). Наибольший путь L₁ до фокуса проходит волна от первого элемента. Чтобы волны от других элементов приходили в точку фокуса одновременно с волной первого, их нужно возбуждать с задержкой по отношению к первому элементу. Она зависит от разности хода L₁ -L_i и определяется по формуле

(2)

Обозначим расстояние от пьезорешетки до фокуса также буквой F. Тогда

и ; смысл размеров а₁ и а_i понятен из чертежа.

Выразим их через шаг пьезорешетки d

; .

Приведем L₁ и L_i к виду