پروب سونوگرافی محدب. انواع سنسورهای سونوگرافی. مشکلات احتمالی هر یک از آنها و تعمیر حسگرهای سونوگرافی. سنسورهای محدب چه ویژگی های فنی دارند؟

مبدلهای التراسونیک برای تحقیقات پزشکی در زمینه سونوگرافی بیش از 50 سال ساخته شده اند. این سنسورها دارای فرکانس های کاری مختلف ، ابعاد خود سنسور و سطح اسکن هستند ، تصاویر را با وضوح و قالب های مختلف نمایش می دهند. به عنوان مثال ، سنسورهای فاز بخش دارای یک سطح کار (تماسی) کوچک (معمولاً 20 * 15 میلی متر) هستند که بین دنده ها قرار می گیرند و قادر به ایجاد تصاویر بخش با پوشش و عمق گسترده در نرخ فریم بالا (بیش از 100 فریم در ثانیه) هستند. به هر حال ، اطلاعات کمی در مورد اینکه چرا سنسورهای خاص برای برخی دستکاری ها مناسب ترند ، اطلاعات کمی وجود دارد ، که دلیل نوشتن این مقاله بود. به طور خاص ، در اینجا ما در مورد رابطه بین مبدل ، قالب تصویر و کاربرد بالینی بحث می کنیم. معیارهای انتخاب سیستماتیک که اجازه می دهد عملکرد مبدل ها با نیازهای خاص بالینی مطابقت داشته باشد ، در چارچوبی جدید ارائه شده است که توضیح می دهد چرا از انواع خاصی از مبدل ها در آزمایشات بالینی خاص استفاده می شود و زمینه ای برای انتخاب مبدل ها برای مناطق تحقیقاتی جدید فراهم می کند. معیارها شامل دسترسی و پوشش منطقه مورد علاقه (ROI) ، حداکثر عمق اسکن و اندازه تصویر و حالتهای اصلی تشخیصی مورد نیاز برای تشخیص دقیق را شامل می شوند. به منظور کامل بودن ، مبدلهای تک کریستالی ، که عمدتا از داخل روده یا کاتتر استفاده می شوند ، نیز در زیر بحث خواهد شد. به عنوان مناسب ، ما تجربه تاریخی انتخاب سنسور را مرور خواهیم کرد ، اما به طور عمده روندهای جدید را برجسته می کنیم.

اسکن تصاویر

به طور گسترده ای شناخته شده است که سنسورهای پیزوالکتریک ، در داخل بدن یا روی سطح آن قرار دارند ، پالس های فراصوت را منتقل می کنند و بازتاب خود را از بافت ها و اندام ها دریافت می کنند. برای ایجاد تصاویری که می توانند به تحقیقات بالینی کمک کنند ، یک عنصر اسکن اضافی مورد نیاز است. به طور معمول ، یک موج صوتی ایجاد شده توسط یک سنسور جداگانه در یک جهت معین حرکت می کند یا هنگامی که به صورت مکانیکی یا الکترونیکی هدایت می شود ، یک سری پالس ها و بازتاب های آنها را ایجاد می کند که صفحه تصویر را تعریف می کند. برای جهت گیری ، نمودار 1A سیستمی مفید برای توضیح اسکن خطی در صفحه xz را نشان می دهد. تصویری که در نتیجه اسکن دو بعدی بدست آمده در امتداد این محورها ساخته شده است. یک روش ساده اسکن ، حرکت تدریجی موج صوتی (تعریف شده به عنوان Δx) در امتداد محور "x" است. در هر موقعیت یک موج صوتی ایجاد می شود و سپس مجموعه امواج برای ایجاد یک تصویر مستطیلی که در آن تغییر جانبی از پرتو a به پرتو b نمایش داده می شود ، درون یابی می شود. یک روش جایگزین برای پخش این است که به تدریج موج صوتی را در امتداد قوس با یک زاویه کوچک (Δθ) تغییر دهید تا تصویر در صفحه xz تعریف شود ، همانطور که در نمودار 1B نشان داده شده است. در اینجا چرخش از محور "c" به محور "d" نشان داده می شود. توجه داشته باشید که هر محور نشان دهنده یک موج صوتی است که به صورت گرافیکی در نمودار 2a نشان داده شده است. مانند گذشته ، مجموعه امواج حاصل در یک تصویر بخش درگیر 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 می شود و افزایش ردیف (Δs) به جای خط مستقیم ، در امتداد سطح منحنی اتفاق می افتد. آنچه در مورد این هندسه جالب است این است که سود در امتداد سطح منحنی از پرتوی "e" به پرتوی "f" می رود ، که با توجه به نسبت Δs \u003d R × Δθ معادل یک جابجایی زاویه ای است. به دلیل اسکن در امتداد قوس ، خطوط در جهت شعاعی واگرا می شوند.

سلول های جدول را به صورت عمودی بهم متصل کنید

اسکن در صفحه yz با همان اصل انجام می شود. در این حالت ، ترجمه در امتداد محور y با یک مرحله Δy رخ می دهد ، و اسکن زاویه ای با یک مرحله Δθ در صفحه yz انجام می شود. برای دستیابی به اسکن یا اسکن سه بعدی در هر نیم فضای مثبت که با محورهای مثبت x ، y و z تعریف شده است ، می توان اسکن ها را در دو صفحه xz و yz ترکیب کرد و یک تصویر حجمی هرمی شکل داد که در شکل 2B نشان داده شده است.

قالب های تصویر

اگرچه مبدل های اولیه (تک عنصری) اسکن مکانیکی را در صفحه های 2 بعدی برای تصویربرداری از سونوگرافی انجام می دادند ، از مبدل ها به طور معمول برای اسکن در اوایل دهه 1980 استفاده می شد. یک آرایه اولتراسوند از مجموعه ای از مبدل های منفرد یا عناصر تشکیل شده است که می تواند به صورت گروهی یا خوشه ای هدایت شود و پرتوهای اکو پالسی ایجاد کند. برای یک آرایه خطی ، گروهی از عناصر از یک ردیف به تدریج روشن و خاموش می شوند و گروه فعال عناصر را در امتداد Δx جابجا می کنند ، و یک به یک پرتوهای اکو ضربه ای جداگانه ایجاد می شود که در یک تصویر ترکیب می شوند. پرتوهای اکو پالسی برای ایجاد نسبت ابعاد مستطیل شکل و شکل مبدل مربوطه که به ترتیب در نمودار 1 شکل 3 و مبدل خطی مربوطه در شکل 4A نشان داده شده اند ، درون یابی می شوند.

انواع فرم های تصویر:

تمرکز می تواند به صورت مکانیکی یا الکترونیکی انجام شود. برای قالب خطی در شکل 4A ، تمرکز الکترونیکی برای هر خط از تصویر اسکن شده با کنترل زمان تأخیر که ولتاژ سلولهای جداگانه به گروه سلول فعال منتقل می شود ، حاصل می شود. در صفحه ارتفاع یا yz (به عنوان مثال ، صفحه عمود بر صفحه تصویر ، که اغلب ضخامت برش نامیده می شود) ، تمرکز ثابت با استفاده از یک لنز مکانیکی حاصل می شود.

برخی از تولیدکنندگان سیستم های تصویربرداری تا حدی برای کاهش محدودیت تمرکز ثابت شبکه هایی با چندین ردیف در جهت ارتفاع ارائه می دهند. با این حال ، فوکوس کاملاً کنترل شده به ارتفاع به مبدل های 2 بعدی احتیاج دارد که بتواند علاوه بر بهبود فوکوس عمودی ، تصاویر سه بعدی و 4 بعدی (4 بعدی) را نیز ارائه دهد. در شکل 2B تمرکز همزمان الکترون از یک آرایه 2D را برای هر دو صفحه ارتفاع و آزیموت های xz و yz نشان می دهد.

به عنوان مثال ، قالبهای 1 و 4 در شکل 3 با یک ترانسفورماتور ماتریس خطی نوع A در شکل 4 مرتبط هستند. برای نمونه ای از اسکن سکتور یا زاویه ، قالب تصویر به شکل یک تکه کیک است ، همانطور که در تصویر 2 شکل 3 و مبدل آرایه فازی مربوطه در شکل 4B نشان داده شده است.

انتخاب نوع حسگر مناسب

با کمک شکلهای 3 و 4 ، می توان با تأکید بر در نظر گرفتن انواع اسکن ، حالتها و صفحه ها ، یک سازماندهی سیستماتیک از قالبهای تصویر ایجاد و آنها را با توجه به انواع سنسور ترکیب کرد. برای طبقه بندی قالب ها و مبدل ها ، اختصارات را می توان برای توصیف رابطه خاص مبدل و تصویر ترکیب کرد. به طور خاص ، برای نشان دادن نوع اسکن ، "M" به معنی 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 و صفحه های اسکن همراه باشد. به عنوان مثال ، پروب خطی "L" در شکل 4A به اسکن خطی الکترونیکی ، "E" در صفحه xz و کانونی ثابت و "F" در صفحه yz اشاره دارد. بنابراین ، نام های حاصل به اختصار "ELxz" و "Fyz" می شوند و قالب های مربوط به آنها "1" و "4" در شکل 3 است. نمای ترکیبی اولین نمونه ای است که در شکل 4A نشان داده شده است. قالب ذوزنقه ای ، که در شکل 2 با عنوان "4" نشان داده شده است ، می تواند به صورت یک قالب مستطیل شکل باشد که دارای دو زیر بخش در هر انتهای آن برای آرایه خط در شکل 4A است. به طور مشابه ، آرایه مرحله ای در شکل 4B با فرمت بخش 2 در شکل 3 و همان صفحات مثالهای قبلی مرتبط است.

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

سلول های جدول را به صورت عمودی بهم متصل کنید

شکل 5

خانواده حسگر:
مربع بالایی سمت چپ: سه سنسور فوقانی ازنفاژ هستند. دو پایین تر درون ریز هستند.
مربع بالا و سمت راست: پروب میکرو محدب در مرکز و دو مرحله در هر طرف.
مربع پایین سمت راست ، چپ به راست: کاوشگر محدب ، سه کاوشگر خطی ، کاوشگر خطی منحنی ، کاوشگر مرحله ای.
مربع پایین سمت چپ ، چپ به راست: دو پروب جراحی و دو پروب حین عمل.

یک کاوشگر منحنی یا محدب (شکل 4C) شبیه کاوشگر خطی است ، با این تفاوت که عناصر روی یک سطح منحنی و نه یک خطی قرار دارند ، همانطور که در روش اسکن "C" در شکل توضیح داده شده است. 1C ، که منجر به شکل تصویر 3 در شکل می شود. 3. این قالب ، از لحاظ شکل شبیه به یک بخش یا قطعه پای که از بالا گاز گرفته شده است ، اغلب به عنوان میدان دید (FOV) توصیف می شود ، که دامنه جانبی آن را تعریف می کند. این مثال از اسکن خطی الکترونیکی "E" در صفحه xz و کانونی ثابت "F" در صفحه yz استفاده می کند. بنابراین ، نامگذاری های حاصل به اختصار "ECxz" و "Fyz" و به صورت "3" همانطور که در شکل 4B نشان داده شده است ، قالب بندی می شوند.

از آنجا که اهمیت تجسم سه بعدی به طور پیوسته در حال افزایش است ، مناسب است که در مورد آن با جزئیات بیشتری بحث کنیم. برای تصویربرداری سه بعدی ، یک حجم به جای صفحه اسکن می شود ، همانطور که در کانتور بیرونی نشان داده شده در شکل 2B نشان داده شده است. برای یک شبکه دو بعدی یا ماتریسی (شکل 4F) ، اسکن می تواند الکترونیکی و معمولاً از هر دو جهت زاویه ای باشد ، به طوری که حجم اسکن شده هرمی است (شکل 7 ، شکل 3). در این حالت ، تمرکز الکترونیکی در هر دو صفحه با اسکن زاویه ای حاصل می شود ، بنابراین مشخصات و قالب مربوطه "E هستند

متناوباً ، می توان آرایه های خطی یا محدب را به صورت مکانیکی در اطراف محور x در صفحه yz اسکن کرد تا به تصویربرداری سه بعدی مقرون به صرفه دست یابد. در این موارد ، آرایه ها در محفظه های شفاف صوتی پر از مایع حرکت می کنند. به عنوان مثال ، یک آرایه خط (معمولاً نوع A) در اطراف محور z چرخانده می شود تا مجموعه ای از تصاویر مسطح ایجاد شود (معمولاً با فرمت 1 یا 4) ، بنابراین نتیجه یک مبدل نوع F مکانیکی اسکن شده در شکل 4 و یک تصویر حجمی اسکن 5 در شکل 3 است. ، یک آرایه منحنی یا محدب (معمولاً نوع C) در اطراف یک محور چرخانده می شود تا مجموعه ای از تصاویر مسطح ایجاد شود (معمولاً قالب 3) ، به طوری که نتیجه آن یک مبدل مکانیکی از نوع G در شکل 4 و تصویر سه بعدی 6 در شکل 3 است.

علاوه بر حرکت کنترل شده الکترونیکی ، این آرایه های یک بعدی (1D) (نوع A ، B یا C) را می توان به صورت دستی در حالت سه بعدی دست آزاد نیز جابجا کرد ، 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 معنی فرض های ثابت ثابت یا اطلاعات مکانی اضافی برای هر صفحه تصویربرداری فضایی است که با استفاده از سنسورهای موقعیت می توان به دست آورد.

سرانجام ، تصاویر مبدل های تک عنصری که عمدتا برای کاربردهای داخل روده ای یا کاتتر استفاده می شوند (مانند سونوگرافی داخل عروقی یا داخل قلبی) نیز در شکل 8 و 9 در شکل 3 نشان داده شده است. مبدل نشان داده شده در شکل 4H را می توان به صورت مکانیکی اسکن کرد تا بدست آورد تصاویر 2D یا 3D همانطور که در تصاویر 8 و 9 نشان داده شده است ، شکل 3. برای قالب 8 ، کاوشگر (شکل 4H) در اطراف محیط زاویه دارد تا یک تصویر دونات شکل تولید کند. در اینجا لازم به ذکر است که یک نسخه ماتریسی از این دستگاه سونوگرافی درون عروقی نیز وجود دارد. اگر این مبدل مکانیکی چرخانده و در امتداد محور Y حرکت کند ، یک تصویر حجمی استوانه ای ، با فرمت 9 (شکل 3) بدست می آید.

در نتیجه ، انواع مبدلهای به تصویر کشیده شده در شکل 4 را می توان با استفاده از قالبها و نماد اسکن نشان داده شده در زیر اشکال مبدل در شکل 4 ، به قالبهای تصویر نشان داده شده در شکل 3 ترسیم کرد.

خصوصیات مبدل تصویربرداری

این بخش معیارهایی را برای تعیین خصوصیات مبدلهای تصویربرداری اولتراسوند و قالبهای آنها برای کاربردهای مختلف بالینی مورد بحث قرار می دهد.

این امر در درجه اول برای سنسورهای تصویری مورد استفاده بالینی اعمال می شود که در دامنه فرکانس 1 تا 20 مگاهرتز کار می کنند.

مبدل هایی که بالای این فرکانس کار می کنند برای کاربردهای خاصی مانند معاینه اندوواسکولار (به شکل 4 ، F و G مراجعه کنید) یا معاینه پیش بالینی حیوانات کوچک استفاده می شود ، اما در هر جایی که امکان دارد در بحث نیز گنجانده می شوند.

پنجره های صوتی

نوع مبدل چقدر برای یک "پنجره صوتی" یا مکانی که با بدن تماس می گیرد تا اندام ها یا بافتهای مورد علاقه را تجسم کند مناسب است؟ پنجره های صوتی استاندارد نمای بدون مانعی از اندام یا ناحیه را فراهم می کنند. بسیاری از آنها ، طبق قرارداد ، دارای نام های خاصی مانند "transabdominal" یا "محور طولانی پاراسترنال" هستند تا بتوان تصاویر را به ترتیب مقایسه و توصیف کرد. پنجره های معمولی در داخل یا سطح قسمت های اصلی بدن زیر قرار دارند: سر ، سینه ، شکم ، لگن ، اندام ها ، رگ ها و دهانه های مختلف بدن. مبدل ها را می توان با استفاده از پیشوندهای لاتین با مناطق خاصی مرتبط کرد: "ترانس" ، "داخل" ، "اندو" و غیره. به عنوان مثال "ترانتوراكیك" است ، دسته ای كه شامل مبدل هایی است كه از طریق سینه تصاویر را می سازند ... یک کاوشگر از طریق جمجمه سر را از طریق جمجمه اسکن می کند.

همانطور که گفته شد ، برای پنجره ترانسوراسیک ، یک آرایه مرحله ای مناسب ترین حالت است اگر کار پردازش تصویر نیاز به قرارگیری مبدل بین دنده ها داشته باشد. این قرار است در فضاهای بین دنده ای قرار گیرد و منطقه اسکن شده را به حداکثر برساند (تصویر 2 در شکل 3). برای بیشتر سطوح تماسی که نسبتاً مسطح و یا کمی تغییر شکل پذیر هستند (به عنوان مثال برای قطعات کوچک یا تصاویر عروق استفاده می شود) ، متداول ترین و معمولاً مورد استفاده انواع مبدل ها ، یک آرایه خطی است که برای تماس با سطوح صاف با کاهش سطح و افزایش فرکانس طراحی شده است. ... در اینجا ، قالب های مستطیلی و ذوزنقه ای (1 و 4 در شکل 3) مناطق دید مناسب را فراهم می کنند.

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

سنسورهای تخصصی

مبدل های تخصصی برای کار در داخل بدنه طراحی شده اند. اینها شامل پروب های آرایه ای مرحله ای مری مناسب برای دستکاری دستی در مری است (شکل 2 و مبدل نوع B در شکل 4). تعدادی از پروب های تخصصی دیگر نیز برای استفاده های جراحی یا مداخله ای مانند کاوشگرهای لاپاراسکوپی و داخل قلب تولید شده اند. این کاوشگرها بسته به برنامه و پنجره های دسترسی می توانند بصورت خطی یا فازی باشند. برخی از پروب های اندو: اندوواژینال ، اندورکتال و داخل حفره ای (نوع D) از نظر عملکردی مشابه کاوشگرهای شعله ور فازی (شکل 2 و شکل 4B) یا کاوشگرهای محدب (قالب 3 و شکل 4C) در انتهای یک دسته استوانه ای با قطر کوچک برای قرار دادن در سوراخ ها و در حالی که میدان دید را به حداکثر می رساند. مثال دیگر مبدل سونوگرافی داخل عروقی است (شکل 4H) ، که برای ایجاد یک تصویر 8 تخت یا یک تصویر 3 بعدی با قالب 9 وارد رگ ها می شود.

اجازه و نفوذ

عمق اسکن انتخاب شده به شما امکان می دهد دامنه مورد نظر را مشاهده کنید. فاکتورهای مرتبط با قابلیت های رندر شامل اندازه دیافراگم فعال ، عمق فوکوس منتقل شده و دامنه فرکانس هستند. نفوذ حداقل عمق اسکن است که در آن نویز الکترونیکی با وجود بهینه سازی کنترل های موجود (معمولاً در عمیق ترین فوکوس انتقال و حداکثر بهره) قابل مشاهده است و نویز الکترونیکی حتی وقتی آرایه به صورت جانبی جابجا شود ، در یک عمق ثابت باقی می ماند. نفوذ در درجه اول توسط فرکانس مرکزی مبدل تعیین می شود: هرچه فرکانس بیشتر باشد ، عمق نفوذ کمتری خواهد داشت ، زیرا جذب موج اولتراسونیک عبور از بافت با فرکانس افزایش می یابد.

اولین تقریب مفید برای تخمین عمق نفوذ (dp) برای یک فرکانس معین dp \u003d 60 / f cm-MHz است ، جایی که f در مگا هرتز داده می شود. بنابراین ، می توان از مبدل فرکانس مرکز 10 مگاهرتز ، نفوذ 6 سانتی متر را داشت. همانطور که قبلاً اشاره شد ، ضریب جذب (از دست دادن قدرت صوتی در عمق واحد) تابعی از فرکانس است و از بافت به بافت دیگر متفاوت است (مقادیر بافت نرم از 0.6 تا 1.0 dB / cm-MHz4 متغیر است). اصطلاح عمومی تری که برای توصیف افت صوتی استفاده می شود ضریب میرایی است که شامل تلفات اضافی ناشی از پراکندگی و انتشار است و بنابراین همیشه بیشتر از ضریب جذب است. ضریب میرایی بسیار به بیمار و مسیر صوتی بستگی دارد.

برای بهینه سازی وضوح تصویر ، کاربران و تولیدکنندگان تلاش کرده اند تا فرکانس تصویربرداری را برای انواع مختلف معاینات افزایش دهند. به عنوان مثال ، حدود 30 سال پیش ، مردم می توانستند حفره شکم را با فرکانس 2.25 مگاهرتز تجسم کنند ، در حالی که امروزه این تعداد اغلب 3.5 مگاهرتز است و برخی از تصاویر زنان و زایمان به 5 مگاهرتز می رسد.

ویژگی های سنسور و تجسم

معیارهای دیگری که باید در فرآیند انتخاب فوق گنجانده شود ، بازده مبدل ، طراحی سیستم دو سیم ، نسبت سیگنال به نویز سیستم و همانطور که ذکر شد ، جذب بافت است. عامل اصلی جذب است - ترکیب و موقعیت نسبی انواع مختلف بافت در طول مسیر موج صوتی. به عنوان مثال ، یک لایه ضخیم از بافت چربی باعث کاهش نفوذ به دلیل عیوب انکساری یا انحراف در مسیر صوتی به منطقه مورد نظر می شود. به همین ترتیب ، افزایش مقدار مایع آمنیوتیک با تصویربرداری از جنین نفوذ را افزایش می دهد و ممکن است اجازه دهد فرکانس های بالاتر از آنهایی که معمولاً در یک سایت اسکن استفاده می شود ، استفاده شود.

دامنه فرکانس یا پهنای باند مبدل تعیین می کند که آیا می تواند از تصویربرداری 2D در فرکانس های مختلف مرکز و همچنین حالت داپلر ، هارمونیک و Color Flow پشتیبانی کند. حالت های تصویربرداری مبتنی بر داپلر معمولاً برای به حداقل رساندن نام مستعار باید در فرکانس های پایین تر از 2D کار کنند. در تصویربرداری هماهنگ ، از یک فرکانس دریافت استفاده می شود که مضربی (معمولاً 2) از فرکانس منتقل شده است. بنابراین ، به پهنای باند گسترده ای نیاز است. پهنای باند و ویژگی های فوکوس نیز بر وضوح تصویر تأثیر می گذارند. در عمل بالینی ، اطمینان از اینکه تصویر حاصل می تواند کوچکترین ابعاد ممکن را در دو جهت جانبی و محوری تشخیص دهد ، مهم است.

سرانجام ، تعداد عناصر حسگر منفرد مورد توجه است ، زیرا تعداد عناصر فعال (به استثنای آرایه های مرحله ای یا آرایه های 2D با زاویه اسکن شده) تعیین کننده عرض یا عرض تصویر است. برای آرایه های مرحله ای ، تعداد بیشتری از عناصر با بهبود وضوح و عمق نفوذ مرتبط هستند. برای آرایه های 2 بعدی (معمولاً متقارن) ، تعداد عناصر در امتداد x و y اندازه حجم آرایه های اسکن شده خطی را تعیین می کند. برای یک آرایه مرحله ای 2D ، تفکیک پذیری و نفوذ با عناصر بیشتری در امتداد x و y افزایش می یابد ، اما شکل زاویه ای یا FOV بدون توجه به تعداد عناصر فعال مورد استفاده ، ثابت می ماند. فوکوس در یک جهت ثابت می تواند به طور غیر مستقیم تصویر را تحت تأثیر قرار دهد زیرا فوکوس فقط در یک عمق قرار دارد و در موقعیت دیگر بسیار بدتر است. برای تصاویر سه بعدی ، آرایه های 2 بعدی اسکن شده مکانیکی دارای همان محدودیت عمق کانونی ثابت هستند که در یک تصویر 2 بعدی وجود دارد. در مقابل ، تمام عناصر تصاویر سه بعدی یا آرایه های کاملاً پر شده به صورت الکترونیکی در هر دو صفحه آزیموت و ارتفاع به یک نقطه واحد متمرکز می شوند تا وضوح بسیار بهتری ارائه دهند.

در عمیق ترین عمق خود ، حداکثر تعداد کانالهای فعال موجود در سیستم است که وضوح را تعیین می کند (همراه با قدرت تمرکز و نویز سیستم). وضوح فضایی معمولاً از وضوح زمانی در امتداد خطوط اسکن بدتر است (معمولاً 2 برابر). در بحث ارائه شده در اینجا ، قطعنامه به وضوح مکانی اشاره دارد مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. برای آرایه های مرحله ای ، تعداد کانال ها معمولاً با حداکثر تعداد عناصر مطابقت دارد. به طور کلی ، از آنجا که عناصر معمولاً در نیمی از طول موج هستند ، هرچه تعداد عناصر بیشتر باشد ، وضوح مکانی بهتر است ، که با دیافراگم فعال در طول موج متناسب است. به عنوان مثال ، یک دیافراگم آرایه 64 عنصری ، 32 برابر دارای حداکثر وضوح مکانی 2 برابر پایین تر (پرتوی وسیع تر) نسبت به توری موج 64 عنصر 128 عنصر است. در مورد یک شبکه خطی ، که می تواند چند صد عنصر داشته باشد ، تعداد عناصر میزان جانبی تصویر را تعیین می کند ، اما این تعداد کانال های فعال است که وضوح را کنترل می کند. برای این توری های یک بعدی ، وضوح خارج از صفحه (که به ضخامت برش نیز معروف است) به جز فاصله کانونی تقریباً ثابت ضعیف است. برای آرایه های 2 بعدی ، وضوح مکانی با دیافراگم های فعال که کناره های آرایه 2D را تشکیل می دهند ، متناسب است. آرایه های 2 بعدی در مقایسه با آرایه های فوکوس 1 بعدی با فوکوس ارتفاع ثابت از وضوح بالاتری برخوردار هستند زیرا فوکوس دقیق را می توان همزمان در آزیموت و ارتفاع برای یک تصویر سه بعدی بدست آورد.

روش دیگر برای مشاهده مجوز F # است. هرچه F # کوچکتر باشد ، وضوح تصویر بهتر است. یک برآورد ساده از عرض پرتو بر حسب میلی متر ، یک اندازه گیری مشترک برای تفکیک پذیری ، غفلت از جذب ، تقریباً F # λ است ، جایی که λ طول موج است (1.5 میلی متر / μs / f [مگاهرتز]). به عنوان مثال ، وضوح 0.3 میلی متر در 5 مگاهرتز برای F # \u003d 1 خواهد بود. عمق کانونی نیز به دیافراگم فعال بستگی دارد. به عنوان مثال ، برای شبکه 128 عنصر 64 موج ، عمیق ترین عمق کانونی که در حداکثر دیافراگم و F # \u003d 1 حاصل می شود F \u003d F # × L \u003d 64 طول موج است. عمق نفوذ واقعی یا عمق اسکن مفید البته عمیق تر از حداکثر عمق کانونی خواهد بود.

انطباق سنسورها و کاربرد بالینی آنها

اکنون که انواع و ویژگی های سنسورها را برای تصویربرداری از پنجره ها و پنجره های صوتی نگاشت کرده ایم ، می توانیم هنگام انتخاب سنسورها برای کاربردهای خاص بالینی ، از این اطلاعات استفاده کنیم. تناسب برخی از مبدل های خاص برای کاربردهای خاص نیز با کمک طراحی های ویژه سازگار شده از نظر تاریخی پیشرفت کرده است. ملاحظات اولیه عبارتند از ROI هدف ، میزان آن و پنجره های صوتی موجود برای دسترسی.

تصویربرداری از شکم

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

ماتریس های منحنی (شکل 4C) ابزار انتخابی برای بیشتر تصویربرداری شکمی 2 بعدی است. فاکتور شکل کلی مربوط به عوامل ارگونومیک و تناسب شکل سنسور و FOV برای کاربرد هنوز برای تصویربرداری سه بعدی شکمی در حال تکامل است. سه توصیف کلیدی برای این گریتینگ ها ، سطح پایه (اندازه دیافراگم کل) ، میدان دید و شعاع انحنا هستند (شکل 1C). اثر انگشت ناحیه تماس را نشان می دهد که معمولاً به شکل مستطیل ، دایره یا بیضی است. در حالی که دسترسی معمولاً برای تصویربرداری از شکم مشکلی ندارد ، اما وقتی این نوع مبدل ها برای کاربردهای جدید در نظر گرفته می شوند ، دسترسی به پنجره در درجه اول اهمیت قرار دارد. شعاع انحنا و FOV (در درجه حداکثر پوشش زاویه ای بیان می شود) مربوط به مقیاس و پوشش تصویر است. برای بهبود نفوذ ، پردازش سیگنال پیشرفته به برخی از سیستم ها اضافه شده است. با این حال ، این ویژگی معمولاً فقط در کاوشگرهای خاصی موجود است.

برای کاوشگرهای سه بعدی مکانیکی ، فاکتور شکل فعلی ترجیح داده شده یک کاوشگر محدب مکانیکی است (شکل 4G و قالب 6 در شکل 3). با این حال ، آرایه های محدب الکترونیکی 2D اکنون کاملاً در دسترس هستند. در این موارد ، دو جهت دید برای جهت اسکن متعامد (مستقیم) داده می شود. روش دیگر ، آرایه های فازی ، به دلیل مساحت کم و نسبت ابعادی گسترده ، برای تصویربرداری از شکم نیز استفاده می شوند. سرانجام ، شبکه های دو بعدی یا ماتریسی به دلیل کیفیت تصویر برتر ، وضوح تصویر و سهولت استفاده در این برنامه ها رایج تر شده اند.

تصویربرداری بین دنده ای

عمده ترین کاربردهای این گروه تصویربرداری ، اسکن قلب و معاینه کبد بین دنده ها است. صرفاً به دلیل آناتومی محدودکننده و پنجره های صوتی محدود ایجاد شده توسط دنده ها و به طور مکرر به ریه ها که حمله می کنند ، گزینه های مبدل در اینجا به آرایه های مرحله ای محدود می شوند (شکل 4B). در این منطقه بود که اولین تلاش ها برای استفاده از شبکه های خطی انجام شد. با این حال ، آنها به دلیل سایه زدن دنده ها و برتری آرایه مرحله ای در مبدل فرمت 2 به سرعت ناپدید شدند. (شکل 4). برای مطالعات قلبی ، بسته به تولید کننده ، پروب ها معمولاً دارای اندازه شبکه به ابعاد 20 × 14 میلی متر هستند. ناحیه تماس با بیمار کمی بزرگتر خواهد بود. این تعداد طی 40 سال گذشته تکامل یافته و به عوامل مختلفی از جمله تعداد بیماران بستگی دارد. سن یکی دیگر از ملاحظات است؛ فاصله بین دنده ها و عمق نفوذ باید با بزرگتر شدن کودکان متفاوت باشد.

برای معاینات بین دنده ای غیر قلب ، اندازه شبکه کمی بزرگتر است. همانطور که قبلاً اشاره شد ، وجود این محدودیتهای کالبدی محدودیت بالایی در عملکرد برای وضوح فضایی ایجاد می کند ، زیرا عملکرد وضوح با اندازه دیافراگم متناسب است ، همانطور که در بالا توضیح داده شد. در مطالعات مربوط به تصویربرداری بین دنده ای قلب و عمق ، 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 برخی از تلفات اضافی در عملکرد پردازش تصویر می شود.

جنبه جالبی از تصویربرداری قلب وجود دارد که عمیقا بر ماهیت کاوشگرها تأثیر گذاشته است. به دلیل وجود دنده ها و سایر بافت های خصمانه صوتی در مسیر پرتو ، اکوکاردیوگرافی به دلیل سر و صدای بازتابنده از مصنوعات تصویربرداری رنج می برد. تصویربرداری هارمونیک در کاهش این سر و صدا بسیار موفق بوده است. در نتیجه ، اهمیت پهنای باند مبدل در طراحی حسگر قلب بسیار مهم شده است. امروزه اکثر سیستم های قلبی در فرکانس های 1.5 تا 2.0 مگاهرتز کار می کنند و البته سیگنال هایی را با دو برابر این بازه فرکانسی دریافت می کنند.

مهمترین پیشرفت در زمینه تصویربرداری قلب ، اجرای آرایههای 2D یا ماتریسی کاملاً پر شده (نوع E) شامل هزاران (معمولاً 50 × 50) عنصر بوده است. این امکان را فراهم می آورد تا در هر زمان (4D) حجم های هرمی (قالب 7 ، شکل 3) ، تجسم برش های دلخواه هواپیما ، تجسم چهار بعدی قلب و ارائه رنگ امکان پذیر شود. به علاوه ، تمرکز الکترونیکی واقعی در صفحه های xz و yz در مقایسه با سایر سنسورهای 1D وضوح بالاتری را ارائه می دهد.

تصویربرداری سطحی و قفسه سینه

این دسته به تصویربرداری "سطحی" از شریانهای کاروتید ، رگهای پا ، قفسه سینه ، تیروئید ، بیضه ها و غیره اشاره دارد و شامل دسته های اعضای کوچک بدن ، سیستم اسکلتی عضلانی و تصویربرداری عروق محیطی است. این آخرین سنگر برای برنامه های شبکه ای خطی است (نوع A) ، که نوع طراحی اولیه را برای مطالعات قبلی عنوان کرد. در این رده بالینی ، دسترسی معمولاً مشکلی ایجاد نمی کند و اندازه پروب ها نیز می تواند کوچک باشد (به دلیل استفاده از فرکانس های بالا 7 تا 15 مگاهرتز و اندازه عناصر کوچک در نتیجه). در مطالعات اسکلتی عضلانی از این نوع شبکه ها برای تجسم عضلات ، رباط ها و تاندون ها نیز استفاده می شود. طی 10 سال گذشته ، تصویربرداری از غدد پستانی به فرکانسهای بسیار بالا منتقل شده است (به عنوان مثال 14 مگاهرتز) ، در حالی که تصویربرداری از عروق محیطی به دلیل نیاز به رگهای عمیق تر و موفقیت آمیز در تصویربرداری داپلر در پایین تر (حدود 3-11 مگاهرتز) باقی مانده است ... به طور معمول ، توانایی شبکه برای افزودن رندر ذوزنقه ای (قالب 4) یک مزیت قابل توجه است. همانند تصویربرداری از شکم ، تصویربرداری سه بعدی با کاوشگرهای مکانیکی منحنی یا آرایه های 2D الکترونیکی هم اکنون برای کاربردهای سطحی و قفسه سینه در دسترس است ، به طور قابل توجهی پوشش و کیفیت تصویر موجود را بهبود می بخشد. برای کاربردهای تصویربرداری عروقی ، برخی از کاوشگرها از مزیت های فعال کردن حالت هایی هستند که تجسم جریان را بهبود می بخشند.

زنان و زایمان

در حال حاضر ، آرایه های محدب مکانیکی یا خطی (انواع G و F) به طور گسترده برای تهیه تصاویر سه بعدی و 4 بعدی از جنین در داخل بدن (قالب های 5-7) استفاده می شود. آرایه های 2 بعدی ماتریسی یا کاملاً پر شده (نوع E) نیز برای این کاربرد در دسترس هستند (معمولاً قالب 7).

برای زنان ، از فرم های حسگر اندو ماتریس ویژه (نوع D) استفاده می شود. به طور معمول ، توری ها در انتهای مبدل قرار دارند و توری های محدب یا منحنی با میدان دید گسترده (قالب 3) هستند. اما می توان از آرایه های مرحله ای (نوع D) نیز استفاده کرد (قالب 2). فرکانسهای مورد استفاده معمولاً 5 مگاهرتز یا بالاتر هستند. مانند سایر برنامه ها ، در این موارد توری های 2 بعدی نیز برای تصویربرداری سه بعدی طراحی شده اند.

نوزادان و کودکان

سنسورهای کودکان به طور کلی دارای سطوح کوچکتری نسبت به سنسورهایی هستند که برای بزرگسالان استفاده می شوند و در فرکانس های بالاتر (≥≥ مگاهرتز) از بزرگسالان کار می کنند. بسته به ناحیه بدن ، انواع مبدلها استفاده می شود ، مشابه انواع بزرگسالان. آرایه های مرحله ای (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 شامل شبکه های ساکن (2D) و برای آرایه های خط 3D ، شبکه های منحنی مکانیکی و محدب هستند.

مطالعات داخل حفره

مبدل های داخل حفره گروه بزرگی از مبدل های تخصصی را تشکیل می دهند که برای تصویربرداری از حفره بدن طراحی شده اند. برای دستیابی به نقشه اندام های داخلی ، به ویژه قلب ، از داخل مری ، از حسگرهای ترانس مری استفاده می شود (شکل 5 را ببینید). آنها از فرکانسهای بالاتر (≥5 مگاهرتز) استفاده می کنند و برای تنظیم جهت گیری سنسور بصورت آرایه های مرحله ای با دستکاری ها و موتورها اجرا می شوند. مبدل های مینیاتوری ترانس مری 2D اسکن الکترونیکی برای تصویربرداری سه بعدی و 4D را ارائه می دهند.

سنسورها می توانند برای مشاهده بسیار تخصصی باشند ، معمولاً در روزنه های بدن یا عروق. حسگرهای فاز داخل قلب از طریق یک رگ وارد می شوند تا به اتاق های داخلی قلب دسترسی پیدا کنند. کاوشگرهای تخصصی جراحی شامل کاوشگرهای لاپاراسکوپی هستند که از طریق برش های کوچک برای تجسم و کمک به جراحی لاپاراسکوپی وارد می شوند (شبیه اندوپروب ها). آنها با وجود قطرهای کوچک برای FOV قابل توجه هستند. کاوشگرهای حین عمل مخصوصاً به شکلی ساخته شده اند که در عروق ، اندام ها و مناطقی که در حین جراحی باز قابل دسترسی هستند قرار می گیرند (شکل 5 را ببینید). سایرین در این کلاس کاوشگرهای جراحی و مداخله ای با اشکال منحصر به فرد هستند (شکل 5 را ببینید).

همانطور که گفته شد ، سنسورهای متناسب با بدنه طراحی شده اند تا از طریق سوراخ های کوچک نصب شوند و دارای میدان دید وسیعی (90 تا 150 درجه) باشند. این سنسورها شامل تصویربرداری از راه مقعد (یا اندورکتال) از ناحیه لگن با استفاده از مقعد برای دسترسی و تصویربرداری اندوواژینال (که به آن ترانس واژن نیز گفته می شود) از لگن ماده و اندام های تولید مثل با استفاده از واژن به عنوان ورودی برای معاینات زنان و زایمان است. این سنسورهای اندو ، که قبلاً توضیح داده شد ، استوانه ای هستند و در سوراخهای کوچک قرار می گیرند و دارای آرایه های محدب (معمولاً 3-9 مگاهرتز) در انتها با میدان دید بزرگ ، آرایه های محدب دو هواپیما یا منحنی مکانیکی هستند. کاوشگرها برای کاربردهای اورولوژی شامل یک هواپیمای دو طرفه است.

یک حسگر منحصر به فرد ، یک کاوشگر دو هواپیما است که از دو آرایه متعامد تشکیل شده است که تصاویر را در صفحات xz و yz ایجاد می کند. معمولاً ماتریس ها از نوع کوچک (8-12 میلی متر) و محدب هستند. هر شکل و سنج باید مطابق با یک فرم مبدل تک صفحه ای مانند قالب 3 در شکل 3 و محدب در شکل 4C باشد. با این حال ، بسته به طراحی مبدل ، آرایه های خطی یا خطی نیز امکان پذیر است ، بنابراین در عمل می توان از چندین ترکیب استفاده کرد. متناوباً ، زیر مجموعه ای از قابلیت های ارائه آرایه 2 بعدی ، ارائه همزمان دو تصویر 2 بعدی متعامد است.

مبدل های داخل عروقی به داخل رگ های خونی وارد می شوند تا در شرایط مختلف پاتولوژیک (نوع H و قالب های 8 و 9) دیواره های عروق را تجسم کنند. در بیشتر مواقع آنها مبدلهای تک چرخش مکانیکی بالای 20 مگاهرتز و سیستمهای تصویربرداری تخصصی هستند ، اگرچه ماتریسهای کوچکی (با قطر حدود 2 میلی متر) نیز برای این کار موجود است.

مطالعات سر

تصویربرداری از طریق جمجمه از مغز و عروق آن از طریق پنجره های صوتی محدود در جمجمه ، مانند شقیقه ها یا چشم ها رخ می دهد. شبکه های Transbital مبدل های چشم با فرکانس بالا (به طور معمول\u003e 20 مگاهرتز) هستند و برای تجسم چشم یا استفاده از چشم به عنوان پنجره صوتی مورد استفاده قرار می گیرند. کاوشگرهای Transcranial معمولاً آرایه های فازی با فرکانس پایین (1-4 مگاهرتز) هستند که برای تجسم رگ های خونی جمجمه از طریق معابد به عنوان پنجره استفاده می شوند.

نتیجه گیری

بسیاری از مبدل های سونوگرافی 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 شما کمک می کند مبدل با برنامه های بالینی هماهنگ شود ، از پنجره صوتی ، منطقه و عمق نمایش داده می شود. برای این منظور ، چک لیست انتخاب مبدل در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1. چک لیست انتخاب فرستنده

همانطور که قبلاً نشان داده شد ، دسترسی در بحث منطقه هدف یا تصویربرداری ارگان اصلی است: پنجره صوتی درک شده.

نوع مبدل باید دسترسی را از طریق پنجره صوتی انتخاب شده فراهم کند. نوع ترانسفورماتور به نسبت ابعاد مربوط می شود و انتخابهای کلی که قبلاً بحث شد شامل ماتریسهای خطی ، فازی ، محدب و 2 بعدی است. اندازه یا ناحیه تماس مبدل باید با اندازه پنجره مطابقت داشته باشد و در موارد شدید که پنجره مبدل یک 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 احتیاج دارند که از نظر قطر (اندازه) به اندازه کافی کوچک و کشیده باشند تا در دهانه بدن قرار گیرند.

دوم ، اندازه یا FOV و نسبت ابعاد برای بدست آوردن پوشش مطلوب در منطقه مورد نظر انتخاب می شوند. عمق اسکن و عرض تصویر یا FOV در اینجا مهم هستند. برای آرایه های خطی ، ممکن است تصویربرداری ذوزنقه ای برای پوشش کافی مورد نیاز باشد. برای یک تصویر سه بعدی یا حجمی ، می توان میزان تصویر را به عنوان مجموعه ای از حداکثر زاویه اسکن در جهت متعامد ، یا میدان دید و زاویه مشخص کرد. یک پارامتر تا حدودی ظریف تر برای تصاویر دو بعدی برای تعریف منطقه پوشش برای یک منطقه مورد نظر ، عمق کانونی ارتفاع است ، که منطقه ای را با نازک ترین ضخامت برش توصیف می کند.

سوم ، حداکثر عمق اسکن انتخاب شده بالاترین فرکانس قابل دستیابی را از طریق نسبت نفوذ داده شده در بالا در قسمت وضوح و نفوذ تعیین می کند. به عنوان مثال ، اگر عمق اسکن 10 سانتی متر باشد ، همانطور که در قسمت وضوح و نفوذ بحث شد ، فرکانس عمق نفوذ d 60 / d \u003d 60/10 \u003d 6 مگاهرتز است. این فرکانس برآورد بهترین وضوح جانبی در حدود 1 طول موج برای F # \u003d 1 یا برای این مثال ، با وضوح λ \u003d c / f \u003d 0.25 میلی متر (از بخش سنسور و تصویربرداری). استثنا در 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 ، می توان پوشش حالت های اصلی تصویربرداری تشخیصی را تعیین کرد. از داده های تهیه شده توسط سازنده ، می توان پهنای باند م requiredثر مورد نیاز برای پشتیبانی از حالت های مختلف را استخراج کرد یا حالت های واقعی مورد علاقه مانند داپلر نبض ، فرکانس های نمایشگر چندگانه یا حالت الاستوگرافی را می توان برای سیستم مورد بررسی ذکر کرد. مبدل های دارای مواد پیزوالکتریک می توانند میزان تولید را به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

در نتیجه ، مبدل ها و قالب های گرافیکی متناسب با کاربردهای خاص بالینی تکامل یافته اند. طبقه بندی و سازماندهی ارائه شده در این مقاله پیش شرط انتخاب مبدل برای یک هدف خاص است. علاوه بر این ، بینش ارائه شده می تواند به تعریف مشخصات سنسور مورد نیاز برای موارد جدید کمک کند ، در نتیجه دامنه استفاده از سنسور را گسترش می دهد.