پروب سونوگرافی محدب. انواع سنسور اولتراسوند. مشکلات احتمالی هر کدام و تعمیر سنسورهای اولتراسوند. سنسورهای محدب چه ویژگی های فنی دارند؟

مبدل های اولتراسونیک بیش از 50 سال است که برای تحقیقات اولتراسوند پزشکی ساخته شده اند. سنسورها فرکانس های کاری متفاوتی دارند، ابعاد خود سنسور و سطح اسکن، تصاویر را در وضوح و فرمت های مختلف نمایش می دهند. به عنوان مثال، سنسورهای فازی بخش دارای یک سطح کاری کوچک (معمولاً 20 * 15 میلی متر) هستند که بین دنده ها قرار می گیرند و می توانند تصاویر بخش با پوشش گسترده و عمق با نرخ فریم بالا (بیش از 100 فریم در ثانیه) ایجاد کنند. به هر حال، اطلاعات بسیار کمی در مورد اینکه چرا سنسورهای خاص برای دستکاری های خاص مناسب تر هستند، وجود دارد، که دلیل نوشتن این مقاله بود. به طور خاص، در اینجا ما رابطه بین مبدل، فرمت تصویر و کاربرد بالینی را مورد بحث قرار می دهیم. معیارهای انتخاب سیستماتیک که اجازه می‌دهد عملکرد مبدل‌ها با نیازهای بالینی خاص مطابقت داشته باشد، در چارچوب جدیدی ارائه شده‌اند که توضیح می‌دهد چرا انواع خاصی از مبدل‌ها در آزمایش‌های بالینی خاص استفاده می‌شوند و مبنایی برای انتخاب مبدل‌ها برای حوزه‌های تحقیقاتی جدید فراهم می‌کند. معیارها شامل منطقه مورد علاقه (ROI) دسترسی و پوشش، حداکثر عمق اسکن و اندازه تصویر، و پوشش حالت های اصلی تشخیصی مورد نیاز برای تشخیص دقیق است. به منظور کامل بودن، مبدل‌های تک کریستالی، که عمدتاً در داخل مجرا یا کاتتر استفاده می‌شوند، نیز در زیر مورد بحث قرار خواهند گرفت. همانطور که مناسب است، ما تجربه تاریخی انتخاب حسگر را مرور خواهیم کرد، اما عمدتاً روندهای در حال ظهور را برجسته می کنیم.

اسکن تصاویر

به طور گسترده ای شناخته شده است که حسگرهای پیزوالکتریک که در داخل بدن یا روی سطح آن قرار دارند، پالس های اولتراسونیک را منتقل می کنند و بازتاب آن ها را از بافت ها و اندام ها دریافت می کنند. برای ایجاد تصاویری که می تواند به تحقیقات بالینی کمک کند، یک عنصر اسکن اضافی مورد نیاز است. به طور معمول، یک موج صوتی ایجاد شده توسط یک حسگر جداگانه در یک جهت معین حرکت می کند یا هنگامی که به صورت مکانیکی یا الکترونیکی هدایت می شود، یک سری پالس و بازتاب آنها ایجاد می کند که صفحه تصویر را مشخص می کند. برای جهت یابی، نمودار 1A یک سیستم مفید برای توضیح اسکن های خطی در صفحه xz را نشان می دهد. تصویر به دست آمده در نتیجه اسکن دو بعدی در امتداد این محورها ساخته شده است. یک تکنیک اسکن ساده، حرکت تدریجی موج صوتی (تعریف شده به عنوان Δx) در امتداد محور "x" است. یک موج صوتی در هر موقعیت ایجاد می‌شود و سپس مجموعه امواج درون‌یابی می‌شود تا تصویری مستطیلی ایجاد شود که در آن جابجایی جانبی از پرتو a به پرتو b نمایش داده می‌شود. یک رویکرد جایگزین برای پخش، انتقال تدریجی موج صوتی در امتداد قوس در یک زاویه کوچک (Δθ) به منظور تعریف تصویر در صفحه xz است، همانطور که در نمودار 1B نشان داده شده است. در اینجا، چرخش از محور "c" به محور "d" نشان داده شده است. توجه داشته باشید که هر محور نشان دهنده یک موج صوتی است، همانطور که در نمودار 2a نشان داده شده است. مانند قبل، مجموعه امواج حاصل در یک تصویر بخش درونیابی می شود. گزینه دیگر برای برش خطی هندسه منحنی است که در نمودار 1C نشان داده شده است. در این حالت، مجموعه امواج به شکل منحنی در امتداد شعاع انحنا (R) منعکس می‌شود و افزایش ردیف (Δs) در امتداد سطح منحنی رخ می‌دهد، نه یک خط مستقیم. نکته جالب در مورد این هندسه این است که بهره در امتداد سطح منحنی از پرتو "e" به پرتو "f" می رود، که معادل یک جابجایی زاویه ای بر اساس نسبت Δs = R × Δθ است. در نتیجه اسکن در امتداد قوس، خطوط در جهت شعاعی واگرا می شوند.

سلول های جدول را به صورت عمودی به هم متصل کنید

از همین اصل برای اسکن در صفحه yz استفاده می شود. در این حالت، ترجمه در امتداد محور y با گام Δy رخ می دهد و اسکن زاویه ای با یک گام Δθ در صفحه yz انجام می شود. برای دستیابی به یک اسکن سه بعدی یا اسکن در هر نقطه از نیمه فضای مثبت تعریف شده با محورهای مثبت x، y، و z، اسکن ها در هر دو صفحه xz و yz می توانند ترکیب شوند تا یک تصویر حجمی هرمی شکل دهند، همانطور که در شکل 2B نشان داده شده است.

فرمت های تصویر

اگرچه مبدل‌های اولیه (تک عنصری) اسکن مکانیکی را در هواپیماهای دوبعدی برای تصویربرداری اولتراسوند انجام می‌دادند، مبدل‌ها به طور معمول تا اوایل دهه 1980 برای اسکن استفاده می‌شدند. یک آرایه اولتراسوند از مجموعه ای از مبدل ها یا عناصر منفرد تشکیل شده است که می توانند در گروه ها یا خوشه ها برای ایجاد پرتوهای اکو پالسی هدایت شوند. برای یک آرایه خطی، گروه‌هایی از عناصر از یک ردیف به تدریج روشن و خاموش می‌شوند، گروه فعال عناصر را در امتداد Δx، یکی یکی جابه‌جا می‌کنند و پرتوهای پژواک ضربه‌ای جداگانه ایجاد می‌کنند که در یک تصویر ترکیب می‌شوند. پرتوهای پژواک پالسی برای تشکیل نسبت ابعاد مستطیلی و شکل مبدل مربوطه که به ترتیب در شماتیک 1 شکل 3 و مبدل خطی مربوطه در شکل 4A نشان داده شده اند، درون یابی می شوند.

انواع اشکال تصویر:

فوکوس می تواند به صورت مکانیکی یا الکترونیکی انجام شود. برای فرمت خطی در شکل 4A، فوکوس الکترونیکی برای هر خط از تصویر اسکن شده با کنترل زمان تاخیری که در آن ولتاژ سلول های جداگانه به گروه عناصر فعال منتقل می شود، به دست می آید. در صفحه ارتفاع یا yz (یعنی صفحه ای عمود بر صفحه تصویر، که اغلب به عنوان ضخامت برش نامیده می شود)، فوکوس ثابت با استفاده از یک لنز مکانیکی به دست می آید.

برای کاهش محدودیت فوکوس ثابت، برخی از تولیدکنندگان سیستم های تصویربرداری آرایه های چند ردیفی را در جهت ارتفاع ارائه می کنند. با این حال، فوکوس ارتفاعی کاملاً کنترل‌شده به مبدل‌های دو بعدی نیاز دارد که می‌توانند نه تنها فوکوس عمودی بهبود یافته، بلکه تصاویر سه‌بعدی و ۴ بعدی (۴ بعدی) را نیز ارائه کنند. در شکل 2B تمرکز همزمان الکترون یک آرایه دوبعدی را هم برای سطوح ارتفاعی و هم برای آزیموت های xz و yz نشان می دهد.

به عنوان مثال، فرمت های 1 و 4 در شکل 3 با یک ترانسفورماتور ماتریس خطی نوع A در شکل 4 مرتبط هستند. برای مثال اسکن سکتور یا زاویه، نسبت تصویر یک قطعه کیک است که در تصویر 2 از شکل 3 نشان داده شده است و مبدل آرایه فازی مربوطه در شکل 4B نشان داده شده است.

انتخاب نوع سنسور مناسب

با کمک شکل های 3 و 4 می توان یک سازماندهی سیستماتیک از فرمت های تصویر ایجاد کرد و آنها را بر اساس نوع حسگرها با تاکید بر در نظر گرفتن انواع اسکن، حالت ها و سطوح ترکیب کرد. برای طبقه‌بندی فرمت‌ها و مبدل‌ها، می‌توان اختصارات را برای توصیف رابطه خاص مبدل و تصویر ترکیب کرد. به طور خاص، برای نشان دادن یک نوع اسکن، "M" به معنای اسکن مکانیکی است. "E"، اسکن الکترونیکی، و "F" (ثابت)، بدون اسکن. جهت اسکن خطی (L) در امتداد محور x، زاویه ای (

همانطور که در بالا توضیح داده شد، هر مبدل می تواند با انواع اسکن و سطوح مرتبط باشد. برای مثال، کاوشگر خطی "L" در شکل 4A به اسکن خطی الکترونیکی، "E" در صفحه xz و فوکوس ثابت، و "F" در صفحه yz اشاره دارد. بنابراین، عناوین به دست آمده به صورت اختصاری "ELxz" و "Fyz" و فرمت های مرتبط با آنها "1" و "4" در شکل 3 هستند. نمای ترکیبی اولین نمونه نشان داده شده در شکل 4A است. قالب ذوزنقه ای که در شکل 2 با "4" مشخص شده است، می تواند به عنوان یک قالب مستطیلی با دو بخش فرعی در هر انتها برای آرایه خط در شکل 4A در نظر گرفته شود. به طور مشابه، آرایه فازی در شکل 4B با قالب بخش 2 در شکل 3 و همان صفحاتی که در مثال های قبلی وجود داشت، مرتبط است.

سایر مبدل ها و فرمت ها نیز در شکل های 3 و 4 جمع آوری شده اند. انواع سنسورها در شکل 5 نشان داده شده است.

سلول های جدول را به صورت عمودی به هم متصل کنید

شکل 5

خانواده سنسور:
مربع سمت چپ بالا: سه مبدل فوقانی ترانس مری هستند. دو قسمت پایینی اندواژینال هستند.
مربع بالا سمت راست: کاوشگر ریزمحدب در مرکز و دو فاز در هر طرف.
مربع پایین سمت راست، از چپ به راست: پروب محدب، سه کاوشگر خطی، پروب خطی منحنی، پروب فازی.
مربع پایین سمت چپ، از چپ به راست: دو پروب جراحی و دو پروب حین عمل.

یک کاوشگر منحنی یا محدب (شکل 4C) شبیه یک پروب خطی است، با این تفاوت که عناصر بر روی یک سطح منحنی به جای خطی هستند همانطور که در روش اسکن "C" در شکل توضیح داده شده است. 1C، که منجر به فرمت تصویر 3 در شکل می شود. 3. این قالب، از نظر شکل شبیه به یک بخش یا تکه پای است که از بالای آن گاز گرفته شده است، اغلب به عنوان میدان دید (FOV) توصیف می شود که وسعت زاویه ای جانبی آن را مشخص می کند. این مثال از اسکن خطی الکترونیکی "E" در صفحه xz و فوکوس ثابت "F" در صفحه yz استفاده می کند. بنابراین، عناوین به دست آمده به صورت اختصاری "ECxz" و "Fyz" هستند و همانطور که در شکل 4B نشان داده شده است به عنوان "3" فرمت می شوند.

از آنجایی که اهمیت تجسم سه بعدی به طور پیوسته در حال افزایش است، مناسب است که در مورد آن با جزئیات بیشتر بحث کنیم. برای تصویربرداری سه‌بعدی، همانطور که با کانتور بیرونی نشان داده شده در شکل 2B نشان داده شده است، به جای صفحه، یک حجم اسکن می‌شود. برای یک گریتینگ دو بعدی یا ماتریسی (شکل 4F)، اسکن می تواند الکترونیکی و معمولاً زاویه ای در هر دو جهت باشد، به طوری که حجم اسکن شده هرمی باشد (شکل 7، شکل 3). در این حالت، فوکوس الکترونیکی در هر دو صفحه با اسکن زاویه‌ای به دست می‌آید، بنابراین نام‌گذاری‌ها و قالب‌های مربوطه «E» هستند.

روش دیگر، آرایه های خطی یا محدب را می توان به صورت مکانیکی حول محور x در صفحه yz اسکن کرد تا به تصویربرداری سه بعدی مقرون به صرفه دست یافت. در این موارد، آرایه ها در محفظه های شفاف صوتی پر از مایع حرکت می کنند. به عنوان مثال، یک آرایه خطی (معمولاً نوع A) حول محور z می چرخد ​​تا یک سری تصاویر مسطح ایجاد شود (معمولاً با فرمت 1 یا 4)، به طوری که نتیجه یک مبدل نوع F اسکن شده مکانیکی در شکل 4 و یک اسکن شده است. تصویر حجمی 5 در شکل 3. به طور مشابه، یک آرایه منحنی یا محدب (معمولا نوع C) حول یک محور می چرخد ​​تا یک سری تصاویر مسطح (معمولا فرمت 3) ایجاد شود، به طوری که نتیجه یک مبدل مکانیکی نوع G در شکل 4 است. و تصویر 3 بعدی 6 در شکل 3.

علاوه بر حرکت کنترل شده الکترونیکی، این آرایه های یک بعدی (یک بعدی) (نوع A، B، یا C) همچنین می توانند به صورت مکانیکی به صورت دستی در حالت سه بعدی دست آزاد حرکت کنند، که در آن تصاویر حاصل معمولاً در حجم های سه بعدی جمع می شوند. . در اینجا شایان ذکر است که بازسازی تصویر برای حالت سه بعدی دست آزاد به فرضیات فاصله ثابت یا اطلاعات فضایی اضافی برای هر صفحه تصویربرداری فضایی دلالت دارد که می توان با استفاده از حسگرهای موقعیت به دست آورد.

در نهایت، تصاویر مبدل‌های تک عنصری، که عمدتاً برای کاربردهای داخل مجرای یا کاتتر (مانند سونوگرافی داخل عروقی یا داخل قلب) استفاده می‌شوند، نیز در شکل‌های 8 و 9 در شکل 3 نشان داده شده‌اند. یا تصاویر سه بعدی همانطور که در تصاویر 8 و 9، شکل 3 نشان داده شده است. برای فرمت 8، کاوشگر (شکل 4H) در اطراف محیط قرار دارد تا تصویری به شکل دونات تولید کند. در اینجا لازم به ذکر است که یک نسخه ماتریکس از این دستگاه سونوگرافی اندوواسکولار نیز وجود دارد. اگر این مبدل مکانیکی بچرخد و در امتداد محور Y حرکت کند، یک تصویر حجمی استوانه ای با فرمت 9 به دست می آید (شکل 3).

در نتیجه، انواع مبدل‌های نشان‌داده‌شده در شکل 4 را می‌توان با استفاده از قالب‌ها و نماد اسکن نشان‌داده‌شده در زیر شکل‌های مبدل در شکل 4 به قالب‌های تصویر نشان‌داده‌شده در شکل 3 نگاشت.

ویژگی های مبدل تصویربرداری

این بخش معیارهایی را برای تعیین ویژگی‌های مبدل‌های تصویربرداری اولتراسوند و فرمت‌های آنها برای کاربردهای بالینی مختلف مورد بحث قرار می‌دهد.

این در درجه اول برای سنسورهای تصویر بالینی استفاده می شود که در محدوده فرکانس 1 تا 20 مگاهرتز کار می کنند.

مبدل‌هایی که بالاتر از این فرکانس کار می‌کنند برای کاربردهای خاص مانند معاینه اندوواسکولار (نگاه کنید به شکل 4، F و G) یا معاینه بالینی حیوانات کوچک استفاده می‌شوند، اما در صورت امکان در بحث گنجانده می‌شوند.

پنجره های آکوستیک

نوع مبدل برای یک "پنجره صوتی" یا مکانی که در آن با بدن تماس می گیرد تا اندام ها یا بافت های مورد نظر را تجسم کند، چقدر مناسب است؟ پنجره‌های آکوستیک استاندارد منظره‌ای بدون مانع از یک اندام یا ناحیه فراهم می‌کنند. بسیاری از آنها، طبق قرارداد، نام‌های خاصی مانند "ترانس شکمی" یا "محور طولانی پاراسترنال" دارند تا بتوان تصاویر را به ترتیب مقایسه و توصیف کرد. پنجره‌های معمولی در داخل یا روی سطح قسمت‌های اصلی بدن قرار دارند: سر، سینه، شکم، لگن، اندام‌ها، عروق و منافذ مختلف بدن. پروب ها را می توان با مناطق خاصی با استفاده از پیشوندهای لاتین مرتبط کرد: "trans"، "intra"، "endo"، و غیره. یک مثال "transthoracic" است، دسته ای که شامل مبدل هایی است که تصویری را از طریق قفسه سینه تشکیل می دهند. یک پروب ترانس کرانیال سر را از طریق جمجمه اسکن می کند.

همانطور که گفته شد، برای پنجره ترانس قفسه سینه، در صورتی که وظیفه پردازش تصویر نیاز به قرار گرفتن مبدل بین دنده ها داشته باشد، آرایه فازی مناسب ترین خواهد بود. در نظر گرفته شده است که در فضاهای بین دنده ای قرار گیرد و ناحیه اسکن شده را به حداکثر برساند (تصویر 2 در شکل 3). برای اکثر سطوح تماسی که نسبتاً مسطح و/یا کمی تغییر شکل‌پذیر هستند (مثلاً برای قطعات کوچک یا تصاویر رگ‌ها استفاده می‌شود)، رایج‌ترین و متداول‌ترین نوع مبدل، آرایه‌ای خطی است که برای تماس با سطوح صاف با کاهش مساحت سطح طراحی شده است. افزایش فرکانس .... در اینجا، فرمت های مستطیلی و ذوزنقه ای (1 و 4 در شکل 3) مناطق دید مناسبی را فراهم می کنند.

هنگام تصویربرداری در ناحیه شکم برای افزایش ناحیه دید با حداقل افزایش سطح تماس، ماتریس های محدب (شکل 4C) فرمت تصویر 3 (نشان داده شده در شکل 3) را تشکیل می دهند و برای ایجاد تماس سطحی در نواحی نرم قابل تغییر شکل طراحی شده اند. بدن

سنسورهای تخصصی

مبدل های تخصصی برای کار در داخل بدن طراحی شده اند. اینها شامل پروبهای آرایه فازی ترانس مری مناسب برای دستکاری دستی در مری است (شکل 2 و مبدل نوع B در شکل 4). تعدادی پروب های تخصصی دیگر نیز برای استفاده جراحی یا مداخله ای مانند پروب های لاپاروسکوپی و داخل قلب ساخته شده اند. این پروب ها بسته به کاربرد و پنجره های دسترسی می توانند خطی یا فازی باشند. برخی از پروب‌های اندو: اندواژینال، اندورکتال و داخل حفره‌ای (نوع D) از نظر عملکردی مشابه پروب‌های شعله‌ور فازی (شکل 2 و شکل 4B) یا پروب‌های محدب (فرمت 3 و شکل 4C) در انتهای یک دسته استوانه‌ای با قطر کوچک برای قرار دادن هستند. به سوراخ ها و در حالی که میدان دید را به حداکثر می رساند. مثال دیگر یک پروب اولتراسوند داخل عروقی (شکل 4H) است که برای تولید یک تصویر 8 با فرمت تخت یا یک تصویر 9 فرمت حجمی در وریدها قرار داده می شود.

اجازه و دخول

عمق اسکن انتخابی به شما امکان می دهد محدوده مورد نظر را مشاهده کنید. عوامل مرتبط با قابلیت های رندر شامل اندازه دیافراگم فعال، عمق فوکوس ارسالی و محدوده فرکانس است. نفوذ حداقل عمق اسکنی است که در آن نویز الکترونیکی با وجود بهینه‌سازی کنترل‌های موجود (معمولاً در عمیق‌ترین فوکوس انتقال و حداکثر بهره) قابل مشاهده است و نویز الکترونیکی در عمق ثابتی باقی می‌ماند حتی زمانی که آرایه به صورت جانبی جابجا می‌شود. نفوذ در درجه اول توسط فرکانس مرکزی مبدل تعیین می شود: هر چه فرکانس بالاتر باشد، عمق نفوذ کمتر است، زیرا جذب موج اولتراسونیک که از بافت عبور می کند با فرکانس افزایش می یابد.

اولین تقریب مفید برای تخمین عمق نفوذ (dp) برای یک فرکانس معین، dp = 60 / f cm-MHz است که f بر حسب مگاهرتز داده می شود. بنابراین، می توان انتظار نفوذ 6 سانتی متری را از مبدل فرکانس مرکزی 10 مگاهرتز داشت. همانطور که قبلاً ذکر شد، ضریب جذب (اتلاف توان صوتی در واحد عمق) تابعی از فرکانس است و از بافتی به بافت دیگر متفاوت است (مقادیر بافت نرم از 0.6 تا 1.0 dB / cm-MHz4 متغیر است). یک اصطلاح کلی تر برای تلفات صوتی ضریب تضعیف است که شامل تلفات اضافی ناشی از پراکندگی و انتشار است و بنابراین همیشه بیشتر از ضریب جذب است. ضریب میرایی به شدت به بیمار و مسیر صوتی بستگی دارد.

برای بهینه سازی وضوح تصویر، کاربران و سازندگان تلاش کرده اند فرکانس تصویربرداری را برای انواع مختلف معاینات افزایش دهند. به عنوان مثال، حدود 30 سال پیش، افراد می‌توانستند حفره شکمی را با فرکانس 2.25 مگاهرتز تجسم کنند، در حالی که امروزه این عدد اغلب 3.5 مگاهرتز است و برخی از تصاویر زنان و زایمان به 5 مگاهرتز می‌رسند.

ویژگی های حسگر و تجسم

معیارهای دیگری که باید در فرآیند انتخاب فوق لحاظ شوند عبارتند از راندمان مبدل، طراحی سیستم دو سیمه، نسبت سیگنال به نویز سیستم و، همانطور که اشاره شد، جذب بافت. عامل اصلی جذب است - ترکیب و موقعیت نسبی انواع بافت های مختلف در طول مسیر موج صوتی. به عنوان مثال، یک لایه ضخیم از بافت چربی به دلیل عیوب انکساری یا انحراف در مسیر صوتی به ناحیه مورد نظر، نفوذ را کاهش می دهد. به همین ترتیب، افزایش مقدار مایع آمنیوتیک با تصویربرداری از جنین باعث افزایش نفوذ می شود و ممکن است امکان استفاده از فرکانس های بالاتر از فرکانس هایی که معمولا در یک مکان اسکن مورد استفاده قرار می گیرد را فراهم کند.

محدوده فرکانس یا پهنای باند مبدل تعیین می کند که آیا می تواند تصویربرداری دو بعدی را در فرکانس های مختلف مرکزی و همچنین حالت های داپلر، هارمونیک و شار رنگ پشتیبانی کند یا خیر. حالت‌های تصویربرداری مبتنی بر داپلر اغلب باید در فرکانس‌های پایین‌تر از دوبعدی کار کنند تا همخوانی به حداقل برسد. تصویربرداری هارمونیک طبق تعریف از فرکانس دریافتی استفاده می کند که مضربی (معمولاً 2) فرکانس ارسالی است. از این رو، نیاز به پهنای باند وسیع وجود دارد. ویژگی های پهنای باند و فوکوس نیز بر وضوح تصویر تأثیر می گذارد. در عمل بالینی، مهم است که اطمینان حاصل شود که تصویر حاصل می تواند کوچکترین ابعاد ممکن را در هر دو جهت جانبی و محوری تشخیص دهد.

در نهایت، تعداد عناصر حسگر منفرد مورد توجه است، زیرا تعداد عناصر فعال (به استثنای آرایه‌های فازی یا اسکن‌شده با زاویه آرایه‌های دوبعدی) وسعت یا عرض جانبی تصویر را تعیین می‌کند. برای آرایه های فازی، تعداد فزاینده ای از عناصر با وضوح بهبود یافته و عمق نفوذ مرتبط است. برای آرایه‌های دوبعدی (معمولاً متقارن)، تعداد عناصر در امتداد جهت‌های x و y اندازه حجم آرایه‌های اسکن شده خطی را تعیین می‌کند. برای یک آرایه فازی دوبعدی، وضوح و نفوذ با عناصر بیشتر در امتداد جهت‌های x و y افزایش می‌یابد، اما شکل زاویه‌ای یا FOV بدون توجه به تعداد عناصر فعال استفاده‌شده، ثابت می‌ماند. فوکوس در یک جهت ثابت می‌تواند به‌طور غیرمستقیم روی تصویر تأثیر بگذارد، زیرا فوکوس فقط در یک عمق و در عمق دیگر بسیار بدتر است. برای تصاویر سه‌بعدی، آرایه‌های دوبعدی اسکن‌شده مکانیکی دارای همان محدودیت عمق کانونی ثابت هستند که در یک تصویر دو بعدی یافت می‌شود. در مقابل، تمام عناصر تصاویر سه بعدی کامل پر شده یا آرایه های آرایه به صورت الکترونیکی روی یک نقطه واحد در هر دو سطح آزیموت و ارتفاع متمرکز می شوند تا وضوح بسیار بهتری ارائه دهند.

در عمیق‌ترین عمق، حداکثر تعداد کانال‌های فعال موجود در سیستم است که وضوح (به همراه قدرت فوکوس و نویز سیستم) را تعیین می‌کند. وضوح مکانی معمولاً بدتر (معمولاً 2 برابر) از وضوح زمانی در امتداد خطوط اسکن است. در بحث ارائه شده در اینجا، تفکیک به تفکیک مکانی اشاره دارد مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. برای آرایه های فازی، تعداد کانال ها معمولاً با حداکثر تعداد عناصر مطابقت دارد. به طور کلی، از آنجایی که المان‌ها معمولاً در نیم طول موج قرار دارند، هر چه تعداد عناصر بیشتر باشد، وضوح فضایی بهتری دارد که با دیافراگم فعال در طول موج‌ها نسبت معکوس دارد. به عنوان مثال، یک آرایه 64 عنصری با دیافراگم 32x حداکثر وضوح فضایی 2 برابر کمتر (پرتو وسیع تر) نسبت به آرایه 64 موجی 128 عنصری دارد. در مورد یک شبکه خطی که می تواند چندین صد عنصر داشته باشد، تعداد عناصر وسعت جانبی تصویر را تعیین می کند، اما تعداد کانال های فعال است که وضوح را کنترل می کند. برای این گریتینگ‌های 1 بعدی، وضوح خارج از صفحه (همچنین به عنوان ضخامت برش شناخته می‌شود) ضعیف است، به جز یک فاصله کانونی تقریباً ثابت. برای گریتینگ های دوبعدی، وضوح فضایی با دیافراگم های فعالی که کناره های آرایه دو بعدی را تشکیل می دهند، نسبت معکوس دارد. آرایه‌های دوبعدی در مقایسه با آرایه‌های فوکوس ۱ بعدی با فوکوس ارتفاع ثابت، وضوح بالاتری دارند، زیرا فوکوس دقیق را می‌توان به طور همزمان در آزیموت و ارتفاع برای یک تصویر سه‌بعدی به دست آورد.

راه دیگری برای نگاه کردن به مجوز، F # است. هرچه F # کوچکتر باشد، وضوح بهتری دارد. یک تخمین ساده از عرض پرتو بر حسب میلی‌متر، یک معیار رایج تفکیک پذیری، بدون توجه به جذب، تقریباً F # × λ است، که در آن λ طول موج (1.5 میلی‌متر/μs/f [MHz]) است. به عنوان مثال، وضوح 0.3 میلی متر در 5 مگاهرتز برای F # = 1 خواهد بود. عمق کانونی نیز به دیافراگم فعال بستگی دارد. به عنوان مثال، برای یک شبکه 64 موجی 128 عنصری، عمیق ترین عمق کانونی به دست آمده در حداکثر دیافراگم و F # = 1، F = F # × L = 64 طول موج است. البته عمق نفوذ واقعی یا عمق اسکن مفید بیشتر از حداکثر عمق کانونی خواهد بود.

انطباق سنسورها و استفاده بالینی آنها

اکنون که انواع و ویژگی‌های مبدل‌ها را برای تصویربرداری از پنجره‌ها و پنجره‌های صوتی ترسیم کرده‌ایم، می‌توانیم از این اطلاعات هنگام انتخاب مبدل‌ها برای کاربردهای بالینی خاص استفاده کنیم. مناسب بودن مبدل‌های خاص برای کاربردهای خاص نیز از نظر تاریخی با کمک طرح‌های اقتباس‌شده خاص تکامل یافته است. ملاحظات اولیه ROI هدف، وسعت آن و پنجره های صوتی موجود برای دسترسی است.

تصویربرداری از شکم

هنگامی که آرایه های حسگر برای اولین بار به صورت تجاری برای تصویربرداری از شکم (از جمله زنان و زایمان) در دهه 1970 معرفی شدند، از نوع خطی بودند (نوع A در شکل 4 با نسبت ابعاد 1 در شکل 3). در بیشتر موارد، ناحیه تماس بیمار مسئله مهمی نبود و برخی از این پروب های خطی کاملاً بلند بودند (مثلاً 8 سانتی متر) تا مثلاً سر جنین را در سه ماهه سوم بپوشانند. با این حال، به زودی مشخص شد که پوشش به اندازه کافی بزرگ می تواند با استفاده از شبکه های ماتریس منحنی یا محدب (نوع C در شکل 4) بدون پرداخت هزینه دستکاری مبدل های خطی نسبتاً دست و پا گیر به دست آید.

ماتریس های منحنی (شکل 4C) ابزار انتخابی برای اکثر تصویربرداری دو بعدی شکم هستند. فاکتور فرم کلی مربوط به عوامل ارگونومیک و مطابقت شکل حسگر و FOV با کاربرد تصویربرداری سه بعدی شکم هنوز در حال تکامل است. سه توصیف کننده کلیدی برای این توری ها عبارتند از: مساحت پایه (اندازه کل دیافراگم)، میدان دید، و شعاع انحنا (شکل 1C). اثر انگشت ناحیه تماس را معمولاً به شکل مستطیل، دایره یا بیضی نشان می دهد. در حالی که دسترسی معمولاً برای تصویربرداری از شکم مشکلی ایجاد نمی کند، وقتی این نوع مبدل ها برای برنامه های جدید در نظر گرفته می شوند، دسترسی به پنجره بسیار مهم است. شعاع انحنا و FOV (بیان شده در درجه حداکثر پوشش زاویه ای) به مقیاس و پوشش تصویر مربوط می شود. پردازش سیگنال پیشرفته برای افزایش نفوذ به برخی از سیستم ها اضافه شده است. با این حال، این ویژگی معمولا فقط در پروب های خاص در دسترس است.

برای کاوشگرهای 3 بعدی مکانیکی، فرم فاکتور ترجیحی در حال حاضر یک پروب محدب منحنی مکانیکی است (شکل 4G و فرمت 6 در شکل 3). با این حال، آرایه های محدب الکترونیکی دوبعدی اکنون به طور کامل در دسترس هستند. در این موارد، دو میدان دید برای جهت های اسکن متعامد (مستقیم) داده می شود. روش دیگر، آرایه های فازی، به دلیل مساحت کوچک و نسبت ابعاد وسیع، برای تصویربرداری از شکم نیز استفاده می شود. در نهایت، شبکه های دو بعدی یا ماتریسی به دلیل کیفیت تصویر، وضوح و سهولت استفاده، برای این برنامه ها رایج تر می شوند.

تصویربرداری بین دنده ای

کاربرد اصلی این گروه تصویربرداری اسکن قلب و بررسی کبد بین دنده ها می باشد. صرفاً به دلیل آناتومی محدود و پنجره‌های آکوستیک محدود ایجاد شده توسط دنده‌ها و اغلب ریه‌ها، انتخاب مبدل در اینجا به آرایه‌های فازی محدود می‌شود (شکل 4B). در این منطقه بود که اولین تلاش ها برای استفاده از شبکه های خطی انجام شد. با این حال، آنها به سرعت به دلیل سایه زدن دنده ها و برتری آرایه فازی در مبدل فرمت 2 ناپدید شدند (شکل 4). برای تحقیقات قلبی، کاوشگرها معمولاً بسته به سازنده، اندازه شبکه‌ای در حدود 20 × 14 میلی‌متر دارند. ناحیه تماس بیمار کمی بزرگتر خواهد بود. این اعداد در طول 40 سال گذشته تکامل یافته اند و به عوامل متعددی مانند تعداد بیماران بستگی دارد. سن یکی دیگر از ملاحظات است. فاصله بین دنده ها و عمق نفوذ باید با بزرگتر شدن کودکان تغییر کند.

برای معاینات بین دنده ای غیر قلبی، اندازه شبکه ها تا حدودی بزرگتر است. همانطور که قبلا ذکر شد، وجود این محدودیت‌های تشریحی یک حد عملکرد بالاتر برای وضوح فضایی ایجاد می‌کند، زیرا عملکرد وضوح به طور معکوس با اندازه دیافراگم متناسب است، همانطور که در بالا توضیح داده شد. در مطالعات برای تصویربرداری قلب و بین دنده ای عمومی، عمق تصویر زیاد است (بسته به اندازه بیمار، می تواند به 24 سانتی متر برسد)، که استفاده از فرکانس های پایین تر (1-3.5 مگاهرتز) را مجبور می کند و منجر به تلفات اضافی در عملکرد پردازش تصویر می شود.

یک جنبه جالب از تصویربرداری قلب وجود دارد که به شدت بر ماهیت پروب ها تأثیر گذاشته است. به دلیل وجود دنده ها و سایر بافت های متخاصم آکوستیک در مسیر پرتو، اکوکاردیوگرافی به دلیل نویز منعکس شده از آرتیفکت های تصویربرداری رنج می برد. ثابت شده است که تصویربرداری هارمونیک در کاهش این نویز بسیار موفق است. در نتیجه، اهمیت پهنای باند مبدل در طراحی مبدل قلب حیاتی شده است. اکثر سیستم های قلبی امروزه در فرکانس های بین 1.5 تا 2.0 مگاهرتز کار می کنند و البته سیگنال هایی را در دو برابر این محدوده فرکانس دریافت می کنند.

مهمترین پیشرفت در زمینه تصویربرداری قلب، اجرای آرایه های دو بعدی یا ماتریسی کاملاً پر شده (نوع E) حاوی هزاران (معمولاً 50 × 50) عنصر است. این امکان نمایش حجم های هرمی در زمان واقعی (4 بعدی) (فرمت 7، شکل 3)، تجسم برش های دلخواه صفحات، تجسم چهار بعدی قلب و ارائه رنگ را فراهم می کند. علاوه بر این، فوکوس الکترونیکی واقعی در صفحات xz و yz وضوح بالاتری را در مقایسه با تمام سنسورهای 1 بعدی دیگر ارائه می دهد.

تصویربرداری سطحی و قفسه سینه

این دسته به تصویربرداری «سطحی» از شریان های کاروتید، وریدهای پا، قفسه سینه، تیروئید، بیضه ها و غیره اشاره دارد و شامل دسته های اجزای کوچک بدن، سیستم اسکلتی عضلانی و تصویربرداری عروق محیطی می شود. این آخرین سنگر برای کاربردهای شبکه خطی (نوع A) است که نوع طراحی اولیه را برای مطالعاتی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، تشکیل داد. در این دسته بالینی، دسترسی به طور کلی مشکلی نیست و ابعاد خود پروب ها می تواند کوچک باشد (به دلیل استفاده از فرکانس های بالای 7 تا 15 مگاهرتز و اندازه عناصر کوچک در نتیجه). مطالعات اسکلتی عضلانی همچنین از این نوع شبکه برای تجسم عضلات، رباط ها و تاندون ها استفاده می کنند. در طول 10 سال گذشته، تصویربرداری از غدد پستانی به فرکانس‌های بسیار بالا (مثلا 14 مگاهرتز) منتقل شده است، در حالی که تصویربرداری از عروق محیطی به دلیل نیاز به گنجاندن رگ‌های عمیق‌تر و موفقیت‌آمیز در پایین‌تر (حدود 3 تا 11 مگاهرتز) باقی مانده است. تصویربرداری داپلر ... به طور معمول، توانایی شبکه برای اضافه کردن رندر ذوزنقه ای (فرمت 4) یک مزیت قابل توجه است. همانند تصویربرداری شکم، تصویربرداری سه بعدی با پروب های خمیده مکانیکی یا آرایه های الکترونیکی دوبعدی در حال حاضر برای کاربردهای سطحی و قفسه سینه در دسترس است و پوشش موجود و کیفیت تصویر را تا حد زیادی بهبود می بخشد. برای کاربردهای تصویربرداری عروقی، برخی از کاوشگرها دارای مزیت فعال کردن حالت هایی هستند که تجسم جریان را بهبود می بخشد.

زنان و زایمان

در حال حاضر، آرایه های محدب یا خطی مکانیکی (نوع G و F) به طور گسترده برای ارائه تصاویر سه بعدی و چهار بعدی از جنین ها در داخل بدن (فرمت های 5-7) استفاده می شود. آرایه های دو بعدی ماتریسی یا کاملاً پر شده (نوع E) نیز برای این استفاده در دسترس هستند (معمولاً فرمت 7).

برای زنان و زایمان، از اشکال خاص آندومتریکس سنسور (نوع D) استفاده می شود. به طور معمول، گریتینگ ها در انتهای مبدل قرار دارند و توری های محدب یا منحنی با میدان دید وسیع هستند (فرمت 3). با این حال، آرایه های فازی (نوع D) نیز می توانند استفاده شوند (فرمت 2). فرکانس های مورد استفاده معمولاً 5 مگاهرتز یا بالاتر هستند. همانند سایر کاربردها، گریتینگ های دو بعدی برای تصویربرداری سه بعدی در این موارد طراحی شده است.

نوزادان و کودکان

سنسورهای کودکان معمولاً سطوح کوچکتری نسبت به سنسورهای مورد استفاده برای بزرگسالان دارند و در فرکانس‌های بالاتر (≥7 مگاهرتز) نسبت به بزرگسالان کار می‌کنند. بسته به ناحیه بدن، از انواع مبدل استفاده می شود، مشابه آنهایی که برای بزرگسالان استفاده می شود. آرایه های فازی (نوع B) و مبدل های سه بعدی (نوع E و G) برای تصویربرداری قلب مناسب هستند. ماتریس های دیگری که برای این نیازهای بالینی نیز مفید هستند عبارتند از استاتیک (2D) و برای آرایه های خط سه بعدی، شبکه های منحنی مکانیکی و محدب.

مطالعات داخل حفره ای

مبدل های داخل حفره ای گروه بزرگی از مبدل های تخصصی را تشکیل می دهند که برای تصویربرداری از داخل حفره بدن طراحی شده اند. از حسگرهای ترانس مری برای به دست آوردن نقشه ای از اندام های داخلی، به ویژه قلب، از داخل مری استفاده می شود (شکل 5 را ببینید). آنها از فرکانس های بالاتر (≥5 مگاهرتز) استفاده می کنند و به عنوان آرایه های فازی با دستکاری کننده ها و موتورها برای تنظیم جهت سنسور پیاده سازی می شوند. مبدل های دو بعدی ترانس مری مینیاتوری اسکن الکترونیکی را برای تصویربرداری سه بعدی و چهار بعدی ارائه می دهند.

سنسورها می توانند برای مشاهده بسیار تخصصی باشند، معمولاً در روزنه های بدن یا عروق. حسگرهای فازی داخل قلب از طریق رگ وارد می شوند تا به حفره های داخلی قلب دسترسی پیدا کنند. مبدل‌های تخصصی جراحی شامل مبدل‌های لاپاراسکوپی هستند که از طریق برش‌های کوچک برای تجسم و کمک در جراحی لاپاراسکوپی (شبیه به اندوپروب) وارد می‌شوند. آنها به دلیل FOV خود با وجود قطر کوچکشان قابل توجه هستند. پروب های حین عمل به طور ویژه برای قرار دادن در عروق، اندام ها و نواحی قابل دسترسی در طی جراحی باز شکل می گیرند (شکل 5 را ببینید). موارد دیگر در این کلاس پروب های جراحی و مداخله ای با اشکال منحصر به فرد هستند (شکل 5 را ببینید).

همانطور که اشاره شد، سنسورهای تناسب بدن به گونه ای طراحی شده اند که از طریق سوراخ های کوچک نصب شوند و دارای میدان دید وسیع (90-150 درجه) هستند. این حسگرها شامل تصویربرداری ترانس رکتال (یا اندورکتال) از ناحیه لگن با استفاده از مقعد برای دسترسی و تصویربرداری اندواژینال (که ترانس واژینال نیز نامیده می شود) از لگن و اندام های تناسلی زن با استفاده از واژن به عنوان ورودی برای معاینات زنان و زایمان می باشد. این حسگرهای اندو، که قبلاً توضیح داده شد، استوانه‌ای هستند تا در سوراخ‌های کوچک قرار بگیرند و دارای آرایه‌های محدب (معمولاً 3-9 مگاهرتز) در انتهای آن‌ها با میدان دید بزرگ، آرایه‌های محدب دوطرفه یا منحنی مکانیکی هستند. کاوشگر برای کاربردهای اورولوژی شامل یک هواپیمای دوباله است.

یک حسگر منحصر به فرد یک کاوشگر دوطرفه است که از دو آرایه متعامد تشکیل شده است که تصاویر را در صفحات xz و yz ایجاد می کند. معمولا ماتریس ها کوچک (8-12 میلی متر) و از نوع محدب هستند. هر شکل و گیج باید با قالب مبدل تک صفحه مانند فرمت 3 در شکل 3 و محدب در شکل 4C مطابقت داشته باشد. با این حال، بسته به طراحی مبدل، آرایه های سکتور یا خطی نیز امکان پذیر است، بنابراین در عمل می توان از چندین ترکیب استفاده کرد. از طرف دیگر، زیرمجموعه ای از قابلیت های رندر آرایه دو بعدی، ارائه همزمان دو تصویر دو بعدی متعامد است.

مبدل‌های داخل عروقی برای تجسم دیواره‌های عروق در شرایط پاتولوژیک مختلف (نوع H و فرمت‌های 8 و 9) وارد رگ‌های خونی می‌شوند. اغلب آنها مبدل های تک چرخشی مکانیکی با فرکانس های بالاتر از 20 مگاهرتز و سیستم های تصویربرداری تخصصی هستند، اگرچه ماتریس های کوچک (با قطر حدود 2 میلی متر) نیز برای این کار موجود است.

معاینات سر

تصویربرداری جمجمه ای از مغز و عروق آن از طریق پنجره های صوتی محدود جمجمه مانند شقیقه ها یا چشم ها انجام می شود. گریتینگ های ترانسبیتال مبدل های چشمی با فرکانس بالا (معمولاً بیش از 20 مگاهرتز) هستند و برای تجسم چشم یا استفاده از چشم به عنوان پنجره صوتی استفاده می شوند. پروب‌های ترانس کرانیال معمولاً آرایه‌های مرحله‌ای با فرکانس پایین (1-4 مگاهرتز) هستند که برای تجسم عروق خونی جمجمه از طریق شقیقه‌ها به عنوان پنجره استفاده می‌شوند.

نتیجه گیری

بسیاری از مبدل های اولتراسوند برای هدف قرار دادن مناطق خاصی از بدن برای کاربردهای خاص طراحی شده اند. هدف اصلی این مقاله ارائه یک رویکرد سیستماتیک است که به تراز کردن مبدل با کاربردهای بالینی کمک می‌کند و از پنجره صوتی، ناحیه و عمقی که قرار است نمایش داده شود شروع شود. برای این منظور چک لیستی برای انتخاب مبدل در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1. چک لیست انتخاب فرستنده

همانطور که قبلا ذکر شد، دسترسی در بحث تصویربرداری از ناحیه هدف یا اندام مرکزی است: پنجره آکوستیک درک شده.

نوع مبدل باید دسترسی را از طریق پنجره صوتی انتخاب شده فراهم کند. نوع ترانسفورماتور به نسبت ابعاد مربوط می شود و انتخاب های کلی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت شامل ماتریس های خطی، فازی، محدب و دوبعدی است. اندازه یا سطح تماس مبدل باید با اندازه پنجره مطابقت داشته باشد و در موارد شدید که پنجره مبدل سوراخ است، شکل مبدل باید با سوراخ قابل دسترسی مطابقت داشته باشد. همانطور که در بالا ذکر شد، برخی از مطالعات به پروب های خاصی مانند پروب های اندورکتال نیاز دارند که به اندازه کافی قطر (اندازه) کوچک و کشیده باشند تا در دهانه بدن قرار بگیرند.

دوم، اندازه یا FOV و نسبت ابعاد برای به دست آوردن پوشش مورد نظر در منطقه مورد علاقه انتخاب می شوند. هم عمق اسکن و هم عرض تصویر یا FOV در اینجا مهم هستند. برای آرایه های خطی، تصویربرداری ذوزنقه ای ممکن است برای پوشش کافی لازم باشد. برای یک تصویر سه بعدی یا حجمی، وسعت تصویر را می توان به عنوان مجموعه ای از حداکثر زوایای اسکن در جهت های متعامد، یا میدان دید و زاویه مشخص کرد. یک پارامتر تا حدودی ظریف‌تر برای تصاویر دو بعدی برای تعیین ناحیه پوشش برای یک منطقه مورد علاقه، عمق کانونی است که ناحیه با نازک‌ترین ضخامت برش را توصیف می‌کند.

سوم، حداکثر عمق اسکن انتخاب شده، بالاترین فرکانس قابل دستیابی را از طریق نسبت نفوذی که در بخش وضوح و نفوذ در بالا داده شده است، تعیین می کند. به عنوان مثال، اگر عمق اسکن 10 سانتی متر باشد، همانطور که در بخش وضوح و نفوذ بحث شد، فرکانس عمق نفوذ d 60 / d = 60/10 = 6 مگاهرتز است. این فرکانس تخمینی از بهترین وضوح جانبی در حدود 1 طول موج برای F # = 1، یا برای این مثال، وضوح λ = c / f = 0.25 میلی متر (از بخش ویژگی های حسگر و تصویربرداری) ارائه می دهد. استثناهای این قانون سیستم هایی هستند که از پردازش سیگنال پیشرفته برای افزایش حساسیت و بهبود نفوذ استفاده می کنند. علاوه بر این، استفاده از مواد پیزوالکتریک می تواند حساسیت و در نتیجه عمق نفوذ را افزایش دهد.

چهارم، پوشش حالت های تصویربرداری تشخیصی اصلی را می توان تعیین کرد. از داده‌های ارائه‌شده توسط سازنده، می‌توان پهنای باند مؤثر مورد نیاز برای پشتیبانی از حالت‌های مختلف استخراج کرد، یا حالت‌های مورد علاقه واقعی، مانند داپلر پالس، فرکانس‌های نمایش چندگانه، یا حالت الاستوگرافی را می‌توان برای سیستم مورد نظر فهرست کرد. مبدل های با مواد پیزوالکتریک می توانند به طور قابل توجهی توان عملیاتی را افزایش دهند.

در نتیجه، حسگرها و قالب‌های گرافیکی به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که برای کاربردهای بالینی خاص مناسب‌تر باشند. طبقه بندی و سازماندهی ارائه شده در این مقاله پیش نیازی برای انتخاب مبدل برای یک هدف خاص است. علاوه بر این، بینش های ارائه شده می تواند به تعریف ویژگی های حسگر مورد نیاز برای موارد جدید کمک کند، در نتیجه دامنه استفاده از سنسور را گسترش می دهد.