Kupera ultraäänianturi. Ultraääniantureiden tyypit. Mahdolliset ongelmat jokaisessa niistä ja ultraääniantureiden korjaus. Mitä teknisiä ominaisuuksia kuperilla antureilla on?

Ultraääniantureita on kehitetty lääketieteelliseen ultraäänitutkimukseen yli 50 vuoden ajan. Antureilla on erilaiset toimintataajuudet, itse anturin ja skannauspinnan mitat, ne näyttävät kuvia eri resoluutioissa ja formaateissa. Esimerkiksi sektorivaiheisissa antureissa on pieni (yleensä 20 * 15 mm) työpinta (kosketuspinta), joka sopii ripojen väliin ja pystyy luomaan sektorikuvia laajalla peitolla ja syvyydellä suurella kuvanopeudella (yli 100 kuvaa/s). Tavalla tai toisella on hyvin vähän tietoa siitä, miksi tietyt anturit sopivat paremmin tiettyihin manipulaatioihin, mikä oli syy tämän artikkelin kirjoittamiseen. Tarkemmin sanottuna tässä keskustelemme anturin, kuvamuodon ja kliinisen sovelluksen välisestä suhteesta. Systematisoidut valintakriteerit, joiden avulla antureiden suorituskyky voidaan sovittaa tiettyihin kliinisiin tarpeisiin, esitetään uudessa viitekehyksessä, joka selittää, miksi tietyntyyppisiä antureita käytetään tietyissä kliinisissä tutkimuksissa, ja luo pohjan antureiden valinnalle uusille tutkimusalueille. Kriteereitä ovat kiinnostavan alueen (ROI) käyttö ja peitto, suurin skannaussyvyys ja kuvan koko, ja ne kattavat tarkkojen diagnoosien edellyttämät tärkeimmät diagnostiikkatilat. Täydellisyyden vuoksi monokiteisiä muuntimia, joita käytetään pääasiassa intraluminaalisesti tai katetrissa, käsitellään myös alla. Tarvittaessa käymme läpi historiallisia kokemuksia antureiden valinnasta, mutta korostamme pääasiassa nousevia trendejä.

Kuvien skannaus

On laajalti tunnettua, että pietsosähköiset anturit, jotka sijaitsevat kehon sisällä tai sen pinnalla, lähettävät ultraäänipulsseja ja vastaanottavat niiden heijastuksen kudoksista ja elimistä. Lisäskannauselementti tarvitaan sellaisten kuvien luomiseen, jotka voivat auttaa kliinistä tutkimusta. Tyypillisesti erillisen anturin luoma akustinen aalto kulkee tiettyyn suuntaan tai mekaanisesti tai elektronisesti ohjattuna muodostaa sarjan pulsseja ja niiden heijastuksia, jotka määrittelevät kuvan tason. Suuntausta varten käyrä 1A näyttää järjestelmän, joka on hyödyllinen xz-tason lineaaristen skannausten selittämiseen. Kaksiulotteisen skannauksen tuloksena saatu kuva rakennetaan näitä akseleita pitkin. Yksinkertainen pyyhkäisytekniikka on siirtää akustista aaltoa (määritelty muodossa Δx) asteittain "x"-akselia pitkin. Ääniaalto luodaan kussakin kohdassa, ja sitten aaltojoukko interpoloidaan suorakaiteen muotoisen kuvan luomiseksi, jossa sivuttaissiirtymä näytetään säteestä a säteeseen b. Vaihtoehtoinen lähestymistapa yleislähetykseen on siirtää akustista aaltoa asteittain kaaria pitkin pienessä kulmassa (Δθ) kuvan määrittämiseksi xz-tasossa, kuten kaaviossa 1B esitetään. Tässä näytetään kierto "c"-akselilta "d"-akselille. Huomaa, että jokainen akseli edustaa akustista aaltoa, kuten graafisesti esitetään kaaviossa 2a. Kuten aiemmin, tuloksena oleva aaltojoukko interpoloidaan sektorikuvaksi. Toinen vaihtoehto lineaariselle leikkaukselle on kaareva geometria, joka näkyy kaaviossa 1C. Tässä tapauksessa aaltojoukko heijastuu kaarevana muodossa kaarevuussäteen (R) mukaan ja rivin lisäys (Δs) tapahtuu pitkin kaarevaa pintaa suoran linjan sijaan. Mielenkiintoista tässä geometriassa on, että vahvistus kaarevaa pintaa pitkin siirtyy säteestä "e" säteeseen "f", mikä vastaa kulmasiirtymää suhteen Δs = R × Δθ mukaan. Pyyhkäisyn seurauksena kaaria pitkin viivat eroavat säteen suunnassa.

Liitä taulukon solut pystysuunnassa

Samaa periaatetta käytetään skannaukseen yz-tasossa. Tässä tapauksessa translaatio tapahtuu y-akselia pitkin askeleella Δy ja kulmaskannaus suoritetaan askeleella Δθ yz-tasossa. Jotta saavutettaisiin 3D-skannaus tai skannaus missä tahansa positiivisessa puoliavaruudessa, jonka määrittelevät positiiviset x-, y- ja z-akselit, skannaukset sekä xz- että yz-tasoissa voidaan yhdistää muodostamaan pyramidin muotoinen tilavuuskuva, kuten kuvassa 2B esitetään.

Kuvamuodot

Vaikka varhaiset (yksielementtiset) muuntimet suorittivat mekaanista skannausta 2D-tasoissa ultraäänikuvausta varten, antureita käytettiin skannaamiseen rutiininomaisesti 1980-luvun alussa. Ultraääniryhmä koostuu joukosta yksittäisiä yksittäisiä muuntimia tai elementtejä, joita voidaan ohjata ryhmissä tai ryhmissä pulssikaikunsäteiden luomiseksi. Lineaarisessa taulukossa yhden rivin elementtiryhmät kytketään asteittain päälle ja pois päältä siirtäen aktiivista elementtiryhmää Δx:ää pitkin yksi kerrallaan, jolloin luodaan erilliset impulssikaikusäteet, jotka yhdistetään kuvaksi. Pulssikaikusäteet interpoloidaan tuloksena olevan suorakaiteen muotoisen muotosuhteen ja vastaavan anturin muodon muodostamiseksi, jotka on esitetty kuvion 3 kaaviossa 1 ja vastaavasti kuviossa 4A vastaava lineaarimuunnin.

Kuvamuotojen tyypit:

Tarkennus voidaan tehdä mekaanisesti tai elektronisesti. Kuvan 4A lineaarimuodossa elektroninen tarkennus saavutetaan kullekin skannatun kuvan riville ohjaamalla viiveaikaa, jolla yksittäisten kennojen jännite siirtyy aktiivisten elementtien ryhmään. Korkeus- tai yz-tasossa (eli kuvatasoon nähden kohtisuorassa tasossa, jota usein kutsutaan viipaleen paksuudeksi) kiinteä tarkennus saadaan aikaan käyttämällä mekaanista linssiä.

Kiinteän tarkennuksen rajoitusten lieventämiseksi jotkin kuvantamisjärjestelmien valmistajat tarjoavat monirivisiä taulukoita korkeussuunnassa. Täysin hallittu korkeustarkennus vaatii kuitenkin 2D-muuntimia, jotka voivat tarjota parannetun pystysuuntaisen tarkennuksen lisäksi myös 3D- ja 4D-kuvia (4D). Kuvassa Kuva 2B esittää 2D-ryhmän samanaikaista elektronifokusointia sekä korkeustasoille että xz- ja yz-atsimuuteille.

Esimerkiksi kuvan 3 muodot 1 ja 4 liittyvät kuvan 4 tyypin A lineaarimatriisimuuntajaan. Sektori- tai kulmaskannausesimerkissä kuvasuhde on pala kakkua, kuten on esitetty kuvion 3 kuvassa 2 ja vastaava vaiheistettu taulukkomuunnin kuviossa 4B.

Oikean anturin tyypin valinta

Kuvien 3 ja 4 avulla on mahdollista luoda järjestelmällinen kuvaformaattien järjestys ja yhdistää niitä anturityypeittäin painottaen huomioiden skannaustyypit, tilat ja tasot. Formaattien ja muuntimien luokittelua varten lyhenteitä voidaan yhdistää kuvaamaan muuntimen ja kuvan erityistä suhdetta. Erityisesti skannaustyypin merkitsemiseksi "M" tarkoittaa mekaanista skannausta; "E", elektroninen skannaus ja "F" (kiinteä), ei skannausta. Pyyhkäisysuunta on lineaarinen (L) x-akselia pitkin, kulma (

Kuten edellä on kuvattu, jokainen anturi voidaan liittää skannaustyyppeihin ja tasoihin. Esimerkiksi Linear Probe "L" kuvassa 4A viittaa elektroniseen lineaariseen pyyhkäisyyn, "E" xz-tasossa ja kiinteässä tarkennuksessa ja "F" yz-tasossa; Tästä syystä tuloksena olevat nimitykset on lyhennetty "ELxz" ja "Fyz" ja niihin liittyvät muodot ovat "1" ja "4" kuvassa 3. Yhdistelmänäkymä on ensimmäinen esimerkki kuviossa 4A. Puolisuunnikkaan muotoinen muoto, joka on merkitty "4" kuviossa 2, voidaan ajatella suorakaiteen muotoisena muotona, jossa on kaksi alasektoria kummassakin päässä kuvion 4A viivataulukolle. Vastaavasti kuvion 4B vaiheistettu matriisi liittyy kuvion 3 sektorimuotoon 2 ja samoihin tasoihin kuin edellisissä esimerkeissä.

Myös muut muuntimet ja formaatit on koottu kuviin 3 ja 4. Anturityyppien valikoima on esitetty kuvassa 5.

Liitä taulukon solut pystysuunnassa

Kuva 5

Anturiperhe:
Vasen yläneliö: kolme ylempää anturia ovat transesofageaalisia; kaksi alempaa ovat endovaginaalisia.
Oikea yläkulma: mikrokupera anturi keskellä ja kaksi vaiheistettua kummallakin puolella.
Alhaalla oikea neliö, vasemmalta oikealle: kupera anturi, kolme lineaarista anturia, kaareva lineaarinen mittapää, vaiheistettu mittapää.
Alempi vasen neliö, vasemmalta oikealle: kaksi kirurgista koetinta ja kaksi intraoperatiivista koetinta.

Kaareva tai kupera anturi (kuvio 4C) on samanlainen kuin lineaarinen koetin, paitsi että elementit ovat kaarevalla eikä lineaarisella pinnalla, kuten kuvataan skannausmenetelmässä "C" kuvassa. 1C, mikä johtaa kuvamuotoon 3 kuvassa. 3. Tätä muotoa, joka on muodoltaan samanlainen kuin yläosasta puretut sektori tai piirakka, kuvataan usein näkökenttänä (FOV), joka määrittelee sen sivuttaiskulman. Tässä esimerkissä käytetään elektronista lineaarista skannausta "E" xz-tasossa ja kiinteää tarkennusta "F" yz-tasossa; Tästä syystä tuloksena saadut nimet on lyhennetty "ECxz" ja "Fyz" ja muotoiltu "3" kuvan 4B mukaisesti.

Koska 3D-visualisoinnin merkitys kasvaa tasaisesti, on aiheellista keskustella siitä tarkemmin. 3D-kuvauksessa skannataan tilavuus tason sijasta, kuten kuvassa 2B esitetty ulkoääriviiva osoittaa. Kaksiulotteisessa tai matriisihilassa (kuva 4F) skannaus voi olla elektronista ja yleensä kulmikasta molempiin suuntiin, jolloin skannattava tilavuus on pyramidin muotoinen (Kuva 7, Kuva 3). Tällöin elektroninen tarkennus saavutetaan molemmissa tasoissa kulmapyyhkäisyllä, joten vastaavat merkinnät ja muoto ovat "E

Vaihtoehtoisesti lineaariset tai kuperat taulukot voidaan skannata mekaanisesti x-akselin ympäri yz-tasossa kustannustehokkaan 3D-kuvauksen saavuttamiseksi. Näissä tapauksissa ryhmät liikkuvat akustisesti läpinäkyvissä kammioissa, jotka on täytetty nesteellä. Esimerkiksi viivataulukkoa (yleensä tyyppi A) kierretään z-akselin ympäri tasaisten kuvien sarjan luomiseksi (yleensä muoto 1 tai 4), jolloin tuloksena on mekaanisesti skannattu tyyppi F-muunnin kuvassa 4 ja skannattu. tilavuuskuva 5 kuvassa 3. Vastaavasti kaarevaa tai kuperaa taulukkoa (yleensä tyyppi C) kierretään akselin ympäri tasokuvien sarjan luomiseksi (yleensä muoto 3), jolloin tuloksena on kuvan 4 G-tyypin mekaaninen muunnin. ja 3D-kuva 6 kuvassa 3.

Elektronisesti ohjatun liikkeen lisäksi näitä yksiulotteisia (1D) taulukoita (tyyppi A, B tai C) voidaan liikuttaa myös mekaanisesti manuaalisesti vapaan käden 3D-tilassa, jossa syntyneet kuvat yleensä kootaan kolmiulotteisiksi tilavuuksiksi. . Tässä on syytä huomata, että kuvan rekonstruktio vapaan käden 3D-tilassa edellyttää joko vakiovälioletuksia tai lisätilatietoa jokaiselle tilakuvaustasolle, mikä voidaan saavuttaa paikkaanturien avulla.

Lopuksi kuvat yksielementtisistä antureista, joita käytetään pääasiassa intraluminaalisissa tai katetrisovelluksissa (kuten intravaskulaarisessa tai sydämensisäisessä ultraäänitutkimuksessa), esitetään myös kuvan 3 kuvissa 8 ja 9. Kuvassa 4H esitettyä anturia voidaan skannata mekaanisesti 2D:n saamiseksi. tai 3D-kuvia, kuten kuvissa 8 ja 9, kuva 3. Format 8:ssa anturi (kuva 4H) on kulmassa kehän ympäri donitsin muotoisen kuvan tuottamiseksi. Tässä yhteydessä on aiheellista huomata, että tästä endovaskulaarisesta ultraäänilaitteesta on myös matriisiversio. Jos tätä mekaanista anturia pyöritetään ja liikutetaan Y-akselia pitkin, saadaan lieriömäinen tilavuuskuva, muoto 9 (kuva 3).

Yhteenvetona voidaan todeta, että kuvassa 4 kuvatut anturityypit voidaan yhdistää kuvan 3 kuvamuotoihin käyttämällä kuvan 4 muuntimen muotojen alla esitettyjä formaatteja ja skannausmerkintöjä.

Kuvaanturin ominaisuudet

Tässä osiossa käsitellään kriteerejä, joilla määritetään, mitkä ultraäänikuvausanturien ominaisuudet ja niiden muodot on tunnistettava erilaisissa kliinisissä sovelluksissa.

Tämä koskee ensisijaisesti kliinisesti käytettyjä kuvaantureita, jotka toimivat taajuusalueella 1-20 MHz.

Tämän taajuuden yläpuolella toimivia antureita käytetään erikoissovelluksissa, kuten endovaskulaarisessa tutkimuksessa (katso kuva 4, F ja G) tai pieneläinten prekliinisissä tutkimuksissa, mutta ne ovat myös mahdollisuuksien mukaan mukana keskustelussa.

Akustiset ikkunat

Kuinka hyvin anturityyppi sopii "akustiseen ikkunaan" tai paikkaan, jossa se koskettaa kehoa kiinnostavien elinten tai kudosten visualisoimiseksi? Tavalliset akustiset ikkunat tarjoavat esteettömän näkymän uruille tai alueelle; monilla on sovitun mukaisesti erityiset nimet, kuten "transabdominaalinen" tai "parasternaalinen pitkä akseli", jotta kuvia voidaan verrata ja kuvata peräkkäin. Tyypilliset ikkunat sijaitsevat seuraavien ruumiinosien sisällä tai pinnalla: pää, rintakehä, vatsa, lantio, raajat, verisuonet ja erilaiset kehon aukot. Anturit voidaan liittää tiettyihin alueisiin käyttämällä latinalaisia ​​etuliitteitä: "trans", "intra", "endo" jne. Esimerkki on "transthoracic", luokka, joka sisältää muuntimet, jotka muodostavat kuvan rinnan läpi ... Transkraniaalinen koetin skannaa pään kallon läpi.

Kuten mainittiin, rintakehän läpi kulkevalle ikkunalle vaiheistettu ryhmä olisi sopivin, jos kuvankäsittelytehtävä edellyttää muuntimen sijoittamista ripojen väliin; tämä on tarkoitettu sijoitettavaksi kylkiluiden välisiin tiloihin ja se maksimoi skannausalueen (kuva 2 kuvassa 3). Useimmille kosketuspinnoille, jotka ovat suhteellisen tasaisia ​​ja/tai hieman muotoaan muuttavia (esimerkiksi pieniä osia tai verisuonten kuvia varten), yleisin ja yleisimmin käytetty anturityyppi on lineaarinen ryhmä, joka on suunniteltu koskettamaan tasaisia ​​pintoja, joiden pinta-ala pienenee ja lisääntyvä taajuus.... Tässä suorakaiteen ja puolisuunnikkaan muotoiset muodot (1 ja 4 kuvassa 3) tarjoavat sopivat katselualueet.

Kun kuvataan vatsan alueella katselualueen kasvattamiseksi niin, että kontaktipinta-ala kasvaa mahdollisimman vähän, kuperat matriisit (kuva 4C) muodostavat kuvamuodon 3 (näkyy kuvassa 3) ja ne on suunniteltu tarjoamaan pintakosketus muotoaan muuttavilla pehmeillä alueilla. Vartalo.

Erikoistuneet anturit

Erikoisanturit on suunniteltu toimimaan kehon sisällä. Näihin kuuluvat transesofageaaliset vaiheistetut ryhmäkoettimet, jotka soveltuvat manuaaliseen manipulointiin ruokatorvessa (kuva 2 ja tyypin B anturi kuvassa 4). Myös useita muita erikoistuneita koettimia on kehitetty kirurgiseen tai interventiokäyttöön, kuten laparoskooppiset ja intrakardiaaliset koettimet. Nämä anturit voivat olla lineaarisia tai vaiheistettuja sovelluksesta ja pääsyikkunoista riippuen. Jotkut endo-anturit: endovaginaaliset, endorektaaliset ja intrakavitaariset (D-tyyppi) ovat toiminnallisesti samanlaisia ​​kuin vaiheistetut soihduttimet (kuva 2 ja kuva 4B) tai kuperat anturit (muoto 3 ja kuva 4C) pienen halkaisijaltaan sylinterimäisen kädensijan päässä asettelua varten. reikiin ja samalla maksimoimalla näkökentän. Toinen esimerkki on intravaskulaarinen ultraäänianturi (kuvio 4H), joka työnnetään suoniin litteän muotoisen 8-kuvan tai tilavuuden 9-muodon kuvan tuottamiseksi.

Lupa ja tunkeutuminen

Valitun skannaussyvyyden avulla voit tarkastella kiinnostavaa aluetta. Renderöintiominaisuuksiin liittyviä tekijöitä ovat aktiivisen aukon koko, lähetettävä tarkennussyvyys ja taajuusalue. Penetraatio on pienin skannaussyvyys, jolla elektroninen kohina on näkyvissä käytettävissä olevien ohjainten optimoinnista huolimatta (yleensä syvimmällä siirtotarkkuudella ja suurimmalla vahvistuksella), ja elektroninen kohina pysyy kiinteällä syvyydellä, vaikka ryhmä on siirtynyt sivusuunnassa. Tunkeutuminen määräytyy ensisijaisesti anturin keskitaajuuden mukaan: mitä suurempi taajuus, sitä matalampi tunkeutumissyvyys, koska kudoksen läpi kulkevan ultraääniaallon absorptio kasvaa taajuuden kasvaessa.

Hyödyllinen ensimmäinen approksimaatio tunkeutumissyvyyden (dp) arvioimiseksi tietyllä taajuudella on dp = 60 / f cm-MHz, missä f on annettu megahertseinä. Näin ollen 10 MHz:n keskitaajuusmuuttajalta voisi odottaa 6 cm:n läpäisyä. Kuten aiemmin todettiin, absorptiokerroin (akustinen tehohäviö syvyysyksikköä kohti) on taajuuden funktio ja vaihtelee kudoksesta toiseen (pehmytkudosarvot vaihtelevat välillä 0,6 - 1,0 dB / cm-MHz4). Yleisempi termi akustiselle häviölle on vaimennuskerroin, joka sisältää sironnasta ja diffuusiosta aiheutuvat lisähäviöt ja siksi aina absorptiokerrointa suuremmat. Vaimennuskerroin riippuu suuresti potilaasta ja akustisesta tiestä.

Kuvan resoluution optimoimiseksi käyttäjät ja valmistajat ovat pyrkineet lisäämään kuvantamistaajuutta erityyppisissä tutkimuksissa. Esimerkiksi noin 30 vuotta sitten ihmiset pystyivät visualisoimaan vatsaontelon taajuudella 2,25 MHz, kun taas nykyään tämä luku on useammin 3,5 MHz, ja jotkut synnytys- ja gynekologiset kuvat saavuttavat 5 MHz.

Anturin ominaisuudet ja visualisointi

Muita kriteerejä, jotka on sisällytettävä yllä olevaan valintaprosessiin, ovat anturin tehokkuus, kaksijohtimisen järjestelmän suunnittelu, järjestelmän signaali-kohinasuhde ja, kuten todettiin, kudosabsorptio. Päätekijä on absorptio - eri kudostyyppien koostumus ja suhteellinen sijainti akustisen aallon reitillä. Esimerkiksi paksu rasvakudoskerros vähentää tunkeutumista, joka johtuu taitevirheistä tai akustisen reitin poikkeavuudesta kiinnostuksen kohteena olevalle alueelle. Samoin lisääntynyt lapsivesimäärä sikiön kuvantamisella parantaa tunkeutumista ja voi mahdollistaa korkeampien taajuuksien käytön kuin tavallisesti tietyssä kuvauskohdassa.

Anturin taajuusalue tai kaistanleveys määrittää, tukeeko se 2D-kuvausta eri keskitaajuuksilla sekä Doppler-, harmoninen- ja värivuotiloja. Doppler-pohjaisten kuvaustilojen on usein toimittava 2D:tä alhaisemmilla taajuuksilla aliasoinnin minimoimiseksi. Harmoninen kuvantaminen määritelmän mukaan käyttää vastaanottotaajuutta, joka on monikerta (yleensä 2) lähetetystä taajuudesta; siksi tarvitaan laajaa kaistanleveyttä. Myös kaistanleveys ja tarkennusominaisuudet vaikuttavat kuvan resoluutioon. Kliinisessä käytännössä on tärkeää varmistaa, että tuloksena oleva kuva erottaa mahdollisimman pienet mitat sekä lateraalisessa että aksiaalisessa suunnassa.

Lopuksi yksittäisten anturielementtien lukumäärä on kiinnostava, koska aktiivisten elementtien määrä (lukuun ottamatta vaiheistettuja ryhmiä tai kulmassa skannattuja 2D-ryhmiä) määrää kuvan lateraalisen laajuuden tai leveyden. Vaiheistetuissa ryhmissä yhä useammat elementit liittyvät parantuneeseen resoluutioon ja tunkeutumissyvyyteen. 2D-taulukoissa (yleensä symmetrisissä) elementtien lukumäärä x- ja y-suunnissa määrittää tilavuuden koon lineaarisesti skannattuille taulukoille. 2D-vaiheistetussa taulukossa resoluutio ja tunkeutuminen kasvavat, kun elementtejä lisätään x- ja y-suunnissa, mutta kulmamuoto tai FOV pysyy samana käytettyjen aktiivisten elementtien lukumäärästä riippumatta. Tarkentaminen kiinteään suuntaan voi vaikuttaa epäsuorasti kuvaan, koska tarkennus on sijoitettu vain yhteen syvyyteen ja paljon huonommin toiseen. 3D-kuvissa mekaanisesti skannatuilla 2D-ryhmillä on sama kiinteä polttovälin rajoitus kuin 2D-kuvassa. Sitä vastoin kaikki täysin täytettyjen 3D-kuvien tai taulukoiden elementit kohdistetaan elektronisesti yhteen pisteeseen sekä atsimuutti- että korkeustasossa, jotta saadaan paljon parempi resoluutio.

Syvimmällä syvyydellä se on järjestelmässä käytettävissä olevien aktiivisten kanavien enimmäismäärä, joka määrittää resoluution (sekä tarkennuksen voimakkuuden ja järjestelmän kohinan kanssa). Spatiaalinen erottelukyky on yleensä huonompi (yleensä 2 kertaa) kuin ajallinen resoluutio skannausviivoja pitkin; tässä esitetyssä keskustelussa resoluutio viittaa tilaresoluutioon, ellei toisin mainita. Vaiheistetuissa taulukoissa kanavien määrä vastaa yleensä elementtien enimmäismäärää. Yleisesti ottaen, koska elementit ovat yleensä puolella aallonpituudella, mitä enemmän elementtejä, sitä parempi spatiaalinen resoluutio, joka on kääntäen verrannollinen aallonpituuksien aktiiviseen aukkoon. Esimerkiksi 64 elementin taulukon, 32-kertaisen aukon maksimi spatiaalinen resoluutio on 2 kertaa pienempi (leveämpi säde) kuin 128 elementin 64 aaltoryhmällä. Lineaarisessa ruudukossa, jossa voi olla useita satoja elementtejä, elementtien lukumäärä määrää kuvan lateraalisen laajuuden, mutta aktiivisten kanavien määrä ohjaa resoluutiota. Näissä 1D-hileissä tason ulkopuolinen resoluutio (tunnetaan myös viipaleen paksuudeksi) on huono, lukuun ottamatta lähes kiinteää polttoväliä. 2D-hiloille spatiaalinen resoluutio on kääntäen verrannollinen aktiivisiin aukkoihin, jotka muodostavat 2D-ryhmän sivut. 2D-matriisissa on parempi resoluutio verrattuna 1D-tarkennusryhmiin, joissa on kiinteä korkeustarkennus, koska tarkka tarkennus voidaan saavuttaa samanaikaisesti atsimuutissa ja korkeudessa 3D-kuvassa.

Toinen tapa tarkastella lupaa on F #. Mitä pienempi F #, sitä parempi resoluutio. Yksinkertainen arvio säteen leveydestä millimetreinä, yleinen resoluution mitta, absorptio huomioimatta, on suunnilleen F # × λ, missä λ on aallonpituus (1,5 mm / μs / f [MHz]). Esimerkiksi resoluutio on 0,3 mm taajuudella 5 MHz, kun F # = 1. Polttosyvyydet riippuvat myös aktiivisesta aukosta. Esimerkiksi 128 elementin 64 aaltoruudukon syvin polttosyvyys, joka saavutetaan suurimmalla aukolla ja F # = 1, on F = F # × L = 64 aallonpituutta. Todellinen tunkeutumissyvyys tai hyödyllinen skannaussyvyys on tietysti suurempi kuin suurin polttoväli.

Antureiden vaatimustenmukaisuus ja niiden kliininen käyttö

Nyt kun olemme kartoittaneet muuntimien tyypit ja ominaisuudet kuvantamisikkunoihin ja akustisiin ikkunoihin, voimme käyttää näitä tietoja valittaessa muuntimia tiettyihin kliinisiin sovelluksiin. Tiettyjen muuntimien soveltuvuus tiettyihin sovelluksiin on myös kehittynyt historiallisesti erityisesti sovitettujen mallien avulla. Ensisijaisia ​​näkökohtia ovat kohdesijoitetun pääoman tuottoprosentti, sen laajuus ja käytettävissä olevat akustiset ikkunat.

Vatsan kuvantaminen

Kun sensorijärjestelmät otettiin ensimmäisen kerran kaupallisesti käyttöön vatsan alueen kuvantamiseen (mukaan lukien synnytys ja gynekologia) 1970-luvulla, ne olivat lineaarista tyyppiä (tyyppi A kuvassa 4 ja kuvasuhde 1 kuvassa 3). Useimmissa tapauksissa potilaan kosketusalue ei ollut kriittinen ongelma, ja jotkut näistä lineaarisista antureista olivat melko pitkiä (esim. 8 cm) peittämään esimerkiksi sikiön pään kolmannella kolmanneksella. Pian kuitenkin kävi selväksi, että riittävän suuri kattavuus voidaan saavuttaa käyttämällä kaarevia tai kuperamatriisihiloja (tyyppi C kuvassa 4) maksamatta hintaa, joka joutuisi manipuloimaan melko hankalia lineaarisia muuntimia.

Kaarevat matriisit (kuva 4C) ovat valinnanvaraisia ​​työkaluja yleisimpiin 2D-vatsan kuvantamiseen. Ergonomiisiin tekijöihin liittyvä yleinen muototekijä sekä anturin muodon ja FOV:n vastaavuus vatsan 3D-kuvantamisen sovelluksen kanssa on edelleen kehittymässä. Näiden ritilöiden kolme avainkuvaajaa ovat peruspinta-ala (koko aukon koko), näkökenttä ja kaarevuussäde (kuva 1C). Sormenjälki kuvaa kosketusaluetta, yleensä suorakulmion, ympyrän tai ellipsin muodossa. Vaikka pääsy ei yleensä ole ongelma vatsan kuvantamisessa, kun tämän tyyppisiä muuntimia harkitaan uusissa sovelluksissa, pääsy ikkunaan on ensiarvoisen tärkeää. Kaarevuussäde ja FOV (ilmaistuna suurimman kulmapeiton asteina) liittyvät kuvan mittakaavaan ja peittoon. Joihinkin järjestelmiin on lisätty tehostettu signaalinkäsittely penetraation lisäämiseksi; tämä ominaisuus on kuitenkin yleensä käytettävissä vain tietyissä antureissa.

Mekaanisille 3D-antureille tällä hetkellä edullinen muototekijä on mekaanisesti kaareva kupera koetin (kuva 4G ja muoto 6 kuvassa 3); 2D elektroniset kuperat taulukot ovat kuitenkin nyt täysin saatavilla. Näissä tapauksissa ortogonaalisille (suoralle) skannaussuunnalle annetaan kaksi näkökenttää. Vaihtoehtoisesti vaiheistettuja ryhmiä käytetään niiden pienen alueen ja laajan kuvasuhteen vuoksi myös vatsan kuvantamiseen. Lopuksi 2D- tai matriisiruudukot ovat yleistymässä näissä sovelluksissa niiden erinomaisen kuvanlaadun, resoluution ja helppokäyttöisyyden vuoksi.

Intercostal kuvantaminen

Tämän kuvantamisryhmän tärkeimmät sovellukset ovat sydämen skannaukset ja maksan tutkimus kylkiluiden välissä. Yksinkertaisesti johtuen rajoittavasta anatomiasta ja rajallisista akustisista ikkunoista, joita kylkiluut ja usein tunkeutuvat keuhkoihin luovat, anturivalinnat rajoittuvat tässä vaiheistettuihin ryhmiin (kuva 4B). Juuri tällä alueella tehtiin ensimmäiset yritykset käyttää lineaarisia hiloja; ne kuitenkin hävisivät nopeasti johtuen ripojen varjostuksesta ja vaiheistetun ryhmän paremmuudesta formaatti 2 -muuntimessa (kuva 4). Sydäntutkimuksessa koettimien ruudukkokoko on yleensä luokkaa 20 × 14 mm valmistajasta riippuen. Potilaan kosketuspinta-ala on hieman suurempi. Nämä luvut ovat kehittyneet viimeisten 40 vuoden aikana ja riippuvat useista tekijöistä, kuten potilaiden määrästä. Ikä on toinen näkökohta; kylkiluiden välistä etäisyyttä ja tunkeutumissyvyyttä on vaihdettava lasten kasvaessa.

Ei-kardiologisissa kylkiluiden välisissä tutkimuksissa hilakoot ovat hieman suurempia. Kuten aiemmin todettiin, näiden anatomisten rajoitusten olemassaolo luo ylemmän suorituskyvyn rajan tilaresoluutiolle, koska resoluution suorituskyky on kääntäen verrannollinen aukon kokoon, kuten edellä selitettiin. Sydämen ja yleisen kylkiluidenvälisen kuvantamisen tutkimuksissa kuvan syvyys on suuri (potilaan koosta riippuen se voi olla 24 cm), mikä pakottaa käyttämään matalampia taajuuksia (1-3,5 MHz) ja johtaa jonkin verran lisähäviöitä kuvankäsittelyn suorituskykyyn.

Sydämen kuvantamisessa on mielenkiintoinen näkökohta, joka on vaikuttanut syvästi koettimien luonteeseen. Koska säteen reitillä on kylkiluita ja muita akustisesti vihamielisiä kudoksia, kaikukardiografia kärsii heijastuneen kohinan aiheuttamista kuvantamisvirheistä. Harmoninen kuvantaminen on osoittautunut erittäin menestyksekkääksi tämän kohinan vähentämisessä. Tämän seurauksena anturin kaistanleveyden tärkeydestä on tullut kriittinen sydämen anturin suunnittelussa. Useimmat sydänjärjestelmät toimivat nykyään 1,5–2,0 MHz:n taajuuksilla ja vastaanottavat luonnollisesti signaaleja kaksinkertaisella taajuusalueella.

Tärkein kehitys sydämen kuvantamisen alalla on ollut tuhansia (yleensä 50 × 50) elementtejä sisältävien täysin täytettyjen 2D- tai matriisitaulukoiden (tyyppi E) käyttöönotto. Tämä mahdollistaa reaaliaikaisten (4D) pyramiditilavuuksien näyttämisen (muoto 7, kuva 3), mielivaltaisten tasoviipaleiden visualisoinnin, sydämen neliulotteisen visualisoinnin ja värintoiston. Lisäksi todellinen elektroninen tarkennus xz- ja yz-tasoilla tarjoaa ylivoimaisen resoluution verrattuna kaikkiin muihin 1D-antureihin.

Pinnallinen ja rintakehäkuvaus

Tämä luokka viittaa kaulavaltimoiden, säärilaskimoiden, rintakehän, kilpirauhasen, kivesten jne. "pinnalliseen" kuvantamiseen ja sisältää pienten ruumiinosien, tuki- ja liikuntaelimistön sekä ääreisverisuonten kuvantamisen. Tämä on lineaaristen hilasovellusten (tyyppi A) viimeinen linnake, joka muodosti alkuperäisen suunnittelutyypin aiemmin käsitellyille tutkimuksille. Tässä kliinisessä kategoriassa pääsy ei yleensä ole ongelma, ja itse koettimien mitat voivat olla pieniä (johtuen korkeiden 7–15 MHz:n taajuuksien käytöstä ja niistä aiheutuvista pienistä elementtikooista). Tuki- ja liikuntaelimistön tutkimukset käyttävät myös tämän tyyppistä hilaa lihasten, nivelsiteiden ja jänteiden visualisointiin. Viimeisten 10 vuoden aikana maitorauhasten kuvantaminen on siirtynyt erittäin korkeille taajuuksille (esim. 14 MHz), kun taas ääreisverisuoniston kuvantaminen on pysynyt matalammalla (noin 3-11 MHz) syvempien suonten ja onnistuneen toiminnan vuoksi. Doppler-kuvaus... Tyypillisesti ruudukon kyky lisätä puolisuunnikkaan muotoinen renderöinti (muoto 4) on merkittävä etu. Kuten vatsan kuvantamisen yhteydessä, 3D-kuvaus mekaanisesti kaarevilla antureilla tai elektronisilla 2D-ryhmillä on nyt saatavilla pinta- ja rintakehäsovelluksiin, mikä parantaa huomattavasti saatavilla olevaa peittoa ja kuvan laatua. Verisuonten kuvantamissovelluksissa joidenkin antureiden etuna on, että ne mahdollistavat tilat, jotka parantavat virtauksen visualisointia.

synnytys ja gynekologia

Tällä hetkellä mekaanisia kuperia tai lineaarisia ryhmiä (tyypit G ja F) käytetään laajalti tuottamaan 3D- ja 4D-kuvia sikiöistä in vivo (muodot 5-7). Matriisi- tai täysin täytetyt 2D-taulukot (tyyppi E) ovat myös saatavilla tähän käyttöön (yleensä muoto 7).

Gynekologiassa käytetään anturin (tyyppi D) erityisiä endomatriisimuotoja. Tyypillisesti ritilät sijaitsevat anturin päässä ja ovat kuperia tai kaarevia ritilöitä, joilla on laajat näkökentät (muoto 3); kuitenkin voidaan käyttää myös vaiheistettuja taulukoita (tyyppi D) (muoto 2). Käytetyt taajuudet ovat yleensä 5 MHz tai korkeampia. Kuten muissakin sovelluksissa, näissä tapauksissa 2D-ritilät on suunniteltu 3D-kuvaukseen.

Vastasyntyneet ja lapset

Lasten antureilla on yleensä pienemmät pinnat kuin aikuisille käytettävillä antureilla, ja ne toimivat korkeammilla taajuuksilla (≥7 MHz) kuin aikuisille käytettävillä antureilla. Kehon alueesta riippuen käytetään muuntajia, jotka ovat samanlaisia ​​​​kuin aikuisille. Vaiheistetut ryhmät (tyyppi B) ja 3D-muuntimet (tyypit E ja G) sopivat sydämen kuvantamiseen. Muita matriiseja, jotka ovat myös hyödyllisiä näihin kliinisiin tarpeisiin, ovat staattiset (2D) ja 3D-viivataulukot, mekaanisesti kaarevat ja kuperat hilat.

Intrakavitaariset tutkimukset

Intrakavitaariset anturit muodostavat suuren joukon erikoistuneita muuntimia, jotka on suunniteltu kehon ontelon sisäistä kuvaamiseen. Transesofageaalisia antureita käytetään sisäelinten, erityisesti sydämen, kartoittamiseen ruokatorven sisältä (katso kuva 5). Ne käyttävät korkeampia taajuuksia (≥5 MHz) ja ne toteutetaan vaiheistetuina ryhminä, joissa on manipulaattoreita ja moottoreita anturin suunnan säätämiseksi. Pienoiskokoiset transesofageaaliset 2D-muuntimet tarjoavat elektronista skannausta 3D- ja 4D-kuvaukseen.

Anturit voivat olla pitkälle erikoistuneita katselua varten, yleensä kehon aukoissa tai suonissa. Intrakardiaaliset vaiheistetut sensorit työnnetään suonen läpi päästäkseen sisään sydämen sisäkammioihin. Kirurgisiin erikoistuneisiin koettimiin kuuluvat laparoskooppiset koettimet, jotka on asetettu pienten viiltojen kautta visualisoimiseksi ja avuksi laparoskooppisessa kirurgiassa (samanlainen kuin endokoettimet); ne ovat merkittäviä niiden FOV pienistä halkaisijastaan ​​huolimatta. Intraoperatiiviset anturit on muotoiltu erityisesti sijoitettaviksi suoniin, elimiin ja alueisiin, joihin pääsee käsiksi avoimen leikkauksen aikana (katso kuva 5). Muut tähän luokkaan kuuluvat kirurgiset ja interventioanturit, joilla on ainutlaatuinen muoto (katso kuva 5).

Kuten todettiin, body-fit-anturit on suunniteltu asennettavaksi pienten reikien läpi ja niillä on laaja näkökenttä (90 ° -150 °). Näihin sensoreihin kuuluu lantion alueen transrektaalinen (tai endorektaalinen) kuvantaminen käyttämällä peräaukkoa pääsyä varten ja jo kuvattu endovaginaalinen (kutsutaan myös transvaginaaliksi) naisen lantion ja sukuelinten kuvantaminen käyttämällä emättimen sisäänkäyntiä gynekologisiin ja synnytystutkimuksiin. Nämä aiemmin kuvatut endo-anturit ovat lieriömäisiä, jotta ne mahtuvat pieniin reikiin, ja niiden päissä on kuperia ryhmiä (tyypillisesti 3-9 MHz), joissa on suuret näkökentät, kaksitasoiset tai mekaanisesti kaarevat kuperat ryhmät. Urologisiin sovelluksiin tarkoitettuihin anturiin kuuluu kaksitaso.

Ainutlaatuinen anturi on kaksitasoinen anturi, joka koostuu kahdesta ortogonaalisesta ryhmästä, jotka luovat kuvia xz- ja yz-tasoilla. Yleensä matriisit ovat pieniä (8-12 mm) ja kuperia tyyppiä. Jokaisen muodon ja mittarin on oltava yksitasoisen anturin muotoa, kuten muotoa 3 kuvassa 3 ja kuperaa kuvassa 4C. Kuitenkin anturin rakenteesta riippuen myös sektori- tai lineaariryhmät ovat mahdollisia, joten käytännössä voidaan käyttää useita yhdistelmiä. Vaihtoehtoisesti 2D-taulukon renderöintiominaisuuksien osajoukko on kahden ortogonaalisen 2D-kuvan samanaikainen esittäminen.

Suonensisäiset anturit asetetaan verisuoniin verisuonten seinämien visualisoimiseksi erilaisissa patologisissa olosuhteissa (tyyppi H ja muodot 8 ja 9). Useimmiten ne ovat mekaanisesti pyöritettäviä yksittäisiä muuntimia, joiden taajuudet ovat yli 20 MHz, ja erikoistuneita kuvantamisjärjestelmiä, vaikka tähän on saatavilla myös pieniä (halkaisijaltaan noin 2 mm) matriiseja.

Pään tutkimukset

Aivojen ja sen verisuonten transkraniaalinen kuvantaminen tapahtuu kallon rajoitettujen akustisten ikkunoiden, kuten temppeleiden tai silmien, kautta. Transbitaaliset ritilät ovat korkeataajuisia (tyypillisesti > 20 MHz) oftalmisia muuntimia, ja niitä käytetään silmän visualisoimiseen tai silmän käyttämiseen akustisena ikkunana. Transkraniaaliset anturit ovat yleensä matalataajuisia (1-4 MHz) vaiheistettuja ryhmiä, joita käytetään visualisoimaan kallon verisuonet temppelien läpi ikkunoina.

johtopäätöksiä

Monet ultraäänianturit on suunniteltu kohdistamaan tiettyihin kehon alueisiin tiettyjä sovelluksia varten. Tämän artikkelin päätarkoitus on tarjota systemaattinen lähestymistapa, joka auttaa kohdistamaan anturin kliinisiin sovelluksiin alkaen akustisesta ikkunasta, näytettävästä alueesta ja syvyydestä. Tätä varten taulukossa 1 on tarkistuslista muuntimen valinnasta.

Taulukko 1. Lähettimen valinnan tarkistuslista

Kuten aiemmin todettiin, pääsy on keskeistä keskustelussa kohdealueesta tai elinkuvauksesta: havaitusta akustisesta ikkunasta.

Anturin tyypin on tarjottava pääsy valitun akustisen ikkunan kautta. Muuntajan tyyppi liittyy kuvasuhteeseen, ja aiemmin käsiteltyjä yleisiä valintoja ovat lineaariset, vaiheistetut, kuperat ja 2D-matriisit. Anturin koon tai kosketuspinnan tulee vastata ikkunan kokoa, ja äärimmäisissä tapauksissa, kun anturin ikkuna on reikä, anturin muodon tulee vastata käytettävissä olevaa reikää. Kuten edellä todettiin, jotkin tutkimukset vaativat erityisiä koettimia, kuten endorektaalisia koettimia, jotka ovat halkaisijaltaan (koko) riittävän pieniä ja pitkänomaisia ​​mahtuakseen kehon aukkoon.

Toiseksi koko tai FOV ja kuvasuhde valitaan halutun peiton saamiseksi kiinnostavalla alueella. Sekä skannaussyvyys että kuvan leveys tai FOV ovat tärkeitä tässä. Lineaarisissa ryhmissä voidaan vaatia puolisuunnikkaan kuvantamista riittävän peiton saamiseksi. 3D- tai tilavuuskuvassa kuvan laajuus voidaan määrittää maksimipyyhkäisykulmien joukkona ortogonaalisissa suunnissa tai näkökentässä ja kulmassa. Hieman hienovaraisempi parametri 2D-kuville kiinnostavan alueen peittoalueen määrittämiseksi on polttokorkeussyvyys, joka kuvaa aluetta, jolla on ohuimman viipaleen paksuus.

Kolmanneksi valittu suurin skannaussyvyys määrittää korkeimman saavutettavissa olevan taajuuden edellä Resoluutio ja tunkeuma -osiossa annetun läpäisysuhteen kautta. Esimerkiksi, jos skannaussyvyys on 10 cm, niin, kuten kohdassa Resoluutio ja tunkeutuminen on kerrottu, tunkeutumissyvyyden d taajuus on 60 / d = 60/10 = 6 MHz. Tämä taajuus antaa arvion parhaasta sivuresoluutiosta, joka on noin 1 aallonpituus, kun F # = 1, tai tässä esimerkissä resoluutio on λ = c / f = 0,25 mm (anturin ominaisuudet ja kuvantaminen -osiosta). Poikkeuksena tähän sääntöön ovat järjestelmät, jotka käyttävät kehittynyttä signaalinkäsittelyä herkkyyden lisäämiseksi ja läpäisyn parantamiseksi. Lisäksi pietsosähköisten materiaalien käyttö voi lisätä herkkyyttä ja siten tunkeutumissyvyyttä.

Neljänneksi tärkeimpien diagnostisten kuvantamismuotojen kattavuus voidaan määrittää. Valmistajan toimittamista tiedoista voidaan poimia eri moodien tukemiseen tarvittava tehollinen kaistanleveys tai luetella kyseiselle järjestelmälle todelliset kiinnostavat tilat, kuten pulssidoppler, useat näyttötaajuudet tai elastografinen tila. Pietsosähköisillä materiaaleilla varustetut muuntimet voivat lisätä merkittävästi suorituskykyä.

Yhteenvetona voidaan todeta, että anturit ja grafiikkamuodot ovat kehittyneet sopimaan paremmin tiettyihin kliinisiin sovelluksiin. Tässä artikkelissa annettu luokitus ja organisaatio ovat edellytys anturin valitsemiselle tiettyyn tarkoitukseen. Lisäksi tarjotut oivallukset voivat auttaa määrittämään uusiin tapauksiin tarvittavat anturin ominaisuudet, mikä laajentaa anturin käyttöaluetta.