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

Ultraääniantureita on kehitetty lääketieteelliseen ultraäänitutkimukseen yli 50 vuoden ajan. Anturien toimintataajuus on erilainen, itse anturin ja skannauspinnan mitat näyttävät kuvia eri tarkkuuksilla ja formaateilla. Esimerkiksi sektorivaiheisilla antureilla on pieni (yleensä 20 * 15 mm) työpinta (kosketuspinta), jotta ne sopivat kylkiluiden väliin ja pystyvät luomaan laajakuvakohtaisia \u200b\u200bja syviä sektorikuvia suurilla kuvataajuuksilla (yli 100 kuvaa / s). Tavalla tai toisella, on vain vähän tietoa siitä, miksi tietyt anturit soveltuvat paremmin tiettyihin manipulointeihin, mikä oli syy tämän artikkelin kirjoittamiseen. Tässä keskustellaan erityisesti anturin, kuvamuodon ja kliinisen sovelluksen välisestä suhteesta. Järjestelmälliset valintaperusteet, jotka mahdollistavat antureiden suorituskyvyn sovittamisen erityisiin kliinisiin tarpeisiin, esitetään uudessa kehyksessä, joka selittää, miksi erityisiä antureita käytetään erityisissä kliinisissä tutkimuksissa, ja tarjoaa perustan antureiden valinnalle uusille tutkimusalueille. Kriteerit sisältävät kiinnostavan alueen (ROI) saatavuuden ja peiton, maksimaalisen skannaussyvyyden ja kuvan koon, ja ne kattavat tarkan diagnoosin edellyttämät tärkeimmät diagnostiikkatilat. Täydellisyyden vuoksi jäljempänä käsitellään myös monikiteisiä antureita, joita käytetään pääasiassa intraluminaalisessa tai katetrissa. Tarkastamme tarvittaessa anturivalinnan historiallista kokemusta, mutta korostamme pääasiassa uusia suuntauksia.

Kuvien skannaus

On yleisesti tiedossa, että kehon sisällä tai sen pinnalla olevat pietsosähköiset anturit lähettävät ultraäänipulsseja ja vastaanottavat heijastuksensa kudoksista ja elimistä. Kliinistä tutkimusta helpottavien kuvien luomiseen tarvitaan ylimääräinen skannauselementti. Tyypillisesti erillisen anturin luoma akustinen aalto kulkee tietyssä suunnassa tai luo mekaanisesti tai elektronisesti suunnaten sarjan pulsseja ja niiden heijastuksia, jotka määrittelevät kuvatason. Suunnittelua varten kaavio 1A osoittaa järjestelmän, joka on hyödyllinen selittämään lineaariskannauksia xz-tasossa. Kaksiulotteisen skannauksen tuloksena saatu kuva rakennetaan näitä akseleita pitkin. Yksinkertainen skannausmenetelmä on siirtää aaltoa (määritelty Ax: ksi) asteittain "x" -akselia pitkin. Ääniaalto muodostetaan kussakin paikassa ja sitten aaltojen joukko interpoloidaan muodostamaan suorakulmainen kuva, jossa sivuttaissiirto näytetään säteestä a palkkiin b. Vaihtoehtoinen lähestymistapa lähetykseen on siirtää akustista aaltoa asteittain kaarta pitkin pienessä kulmassa (Aθ) kuvan määrittämiseksi xz-tasolle, kuten kaaviossa 1B on esitetty. Tässä näytetään kiertyminen "c" -akselista "d" -akseliin. Huomaa, että jokainen akseli edustaa akustista aaltoa, joka on graafisesti esitetty kaaviossa 2a. Kuten aikaisemmin, tuloksena oleva aaltosarja interpoloidaan sektorikuvaksi. Toinen vaihtoehto lineaariselle leikkaukselle on kaareva geometria, esitetty kaaviossa 1C. Tällöin aaltojen joukko heijastuu kaarevassa muodossa kaarevuussädettä (R) pitkin ja rivin lisäys (As) tapahtuu kaarevaa pintaa pitkin, ei suoraa viivaa. Mielenkiintoista tässä geometriassa on, että vahvistus kaarevaa pintaa pitkin kulkee säteestä "e" säteeseen "f", mikä vastaa kulmasiirtymää suhteen As \u003d R × Δθ mukaan. Kaaren pyyhkäisyn vuoksi viivat eroavat säteen suunnassa.

Liitä taulukon solut pystysuoraan

Skannaus yz-tasossa suoritetaan samalla periaatteella. Tässä tapauksessa translaatio tapahtuu y-akselia pitkin askeleella Ay, ja kulmaskannaus suoritetaan askeleella Aθ yz-tasossa. 3D-skannauksen tai skannauksen saavuttamiseksi missä tahansa positiivisten x-, y- ja z-akselien määrittelemässä positiivisessa puolivälissä skannaukset sekä xz- että yz-tasoissa voidaan yhdistää pyramidimaisen tilavuuskuvan muodostamiseksi, kuten kuvassa 2B on esitetty.

Kuvamuodot

Vaikka varhaiset (yksielementtiset) anturit suorittivat mekaanista skannausta 2D-tasoissa ultraäänikuvantamista varten, antureita käytettiin rutiininomaisesti skannaukseen 1980-luvun alkuun mennessä. Ultraääniryhmä koostuu kokoelmasta yksittäisiä antureita tai elementtejä, joita voidaan ajaa ryhmissä tai klustereissa pulssiäänisten kaikusäteiden luomiseksi. Lineaarista taulukkoa varten yhden rivin elementtiryhmät kytkeytyvät vähitellen päälle ja pois päältä, siirtämällä aktiivista elementtiryhmää pitkin Ax: tä yksi kerrallaan, jolloin muodostetaan erilliset impulssikaikusäteet, jotka yhdistetään kuvaksi. Pulssoidut kaikusäteet interpoloidaan muodostamaan tuloksena oleva suorakulmainen kuvasuhde ja vastaava anturin muoto, jotka on esitetty kuvion 3 kaaviossa 1 ja vastaava lineaarinen anturi kuvassa 4A, vastaavasti.

Kuvamuotojen tyypit:

Tarkennus voidaan suorittaa mekaanisesti tai elektronisesti. Kuvion 4A lineaarisessa muodossa elektroninen tarkennus saavutetaan skannatun kuvan jokaiselle riville säätämällä viiveaikaa, jolla yksittäisten solujen jännite siirretään aktiiviseen soluryhmään. Korkeudessa tai yz-tasossa (ts. Tasossa, joka on kohtisuorassa kuvatasoon, jota usein kutsutaan viipalepaksuudeksi), kiinteä tarkennus saavutetaan mekaanisella linssillä.

Kiinteän tarkennuksen rajoitusten lieventämiseksi jotkut kuvausjärjestelmien valmistajat tarjoavat verkkoja, joissa on useita rivejä korkeussuunnassa. Täysin hallittu korkeustarkennus vaatii kuitenkin 2D-antureita, jotka pystyvät tarjoamaan paitsi parannetun pystysuuntaisen tarkennuksen myös 3D- ja 4D (4D) -kuvia. Kuvassa Kuvio 2B esittää 2D-ryhmän samanaikaista elektronitarkennusta sekä korkeustasoille että xz- ja yz-atsimuuteille.

Esimerkiksi kuvion 3 muodot 1 ja 4 liittyvät tyypin A lineaariseen matriisimuuntajaan kuvassa 4. Esimerkkinä sektori- tai kulmaskannauksesta kuvasuhde on kakun palan muotoinen, kuten kuvion 3 kuvassa 2 on esitetty, ja vastaava vaiheistettu ryhmämuunnin kuvassa 4B.

Oikean anturityypin valinta

Kuvien 3 ja 4 avulla on mahdollista luoda järjestelmällinen kuvamuotojen järjestely ja yhdistää ne anturityyppien mukaan painottaen skannaustyyppien, -moodien ja -tasojen huomioon ottamista. Formaattien ja muuntimien luokittelemiseksi lyhenteet voidaan yhdistää kuvaamaan muuntimen ja kuvan tietty suhde. Erityisesti skannaustyypin merkitsemiseksi "M" tarkoittaa mekaanista skannausta; "E", elektroninen skannaus ja "F" (kiinteä), ei skannausta. Skannaussuunnan lineaarinen (L) x-akselia pitkin, kulma (

Kuten edellä on kuvattu, kukin muunnin voidaan liittää skannaustyyppeihin ja tasoihin. Esimerkiksi lineaarinen anturi "L" kuvassa 4A viittaa elektroniseen lineaariseen skannaukseen, "E" xz-tasossa ja kiinteä tarkennus ja "F" yz-tasossa; Siksi tuloksena olevat nimitykset on lyhennetty "ELxz" ja "Fyz", ja niihin liittyvät muodot ovat "1" ja "4" kuviossa 3. Yhdistetty näkymä on ensimmäinen esimerkki kuvassa 4A. Puolisuunnikkaan muoto, joka on merkitty "4" kuviossa 2, voidaan ajatella suorakulmaiseksi muodoksi, jossa on kaksi alasektoria kummassakin päässä kuvion 4A linjaryhmälle. Vastaavasti kuvion 4B vaiheistettu taulukko liittyy kuvion 3 sektorimuotoon 2 ja samoihin tasoihin kuin edellisissä esimerkeissä.

Muut muuntimet ja muodot on koottu myös kuvioihin 3 ja 4. Anturityyppien erilaisuus on esitetty kuvassa 5.

Liitä taulukon solut pystysuoraan

Kuva 5

Anturiperhe:
Vasen yläkulma: kolme ylempää anturia ovat transesofageaalisia; kaksi alempaa ovat endovaginaalisia.
Oikea yläkulma: mikrokupera koetin keskellä ja kaksi vaiheittain kummallakin puolella.
Oikea alakulma, vasemmalta oikealle: kupera koetin, kolme lineaarista anturia, kaareva lineaarinen anturi, vaiheellinen koetin.
Vasemman alakulman neliö, vasemmalta oikealle: kaksi kirurgista koetinta ja kaksi intraoperatiivista koetinta.

Kaareva tai kupera koetin (kuvio 4C) on samanlainen kuin lineaarinen koetin, paitsi että elementit ovat pikemminkin kaarevalla kuin lineaarisella pinnalla, kuten kuvion 4C skannausmenetelmässä "C" on kuvattu. 1C, mikä johtaa kuvamuotoon 3 kuviossa 1. 3. Tätä muotoa, joka on muodoltaan samanlainen kuin sektorista tai piirakasta, joka on purettu ylhäältä, kutsutaan usein näkökentäksi (FOV), joka määrittelee sen sivukulman laajuuden. Tässä esimerkissä käytetään elektronista lineaarista skannausta "E" xz-tasossa ja kiinteää tarkennusta "F" yz-tasossa; Siksi tuloksena olevat nimitykset on lyhennetty "ECxz" ja "Fyz" ja ne on muotoiltu "3": ksi, kuten kuvassa 4B on esitetty.

Koska 3D-visualisoinnin merkitys kasvaa tasaisesti, on aiheellista keskustella siitä tarkemmin. 3D-kuvantamista varten äänenvoimakkuus skannataan tason sijasta, kuten kuviossa 2B esitetty ulkomuoto näyttää. Kaksiulotteiselle tai matriisiristikolle (kuva 4F) skannaus voi olla elektronista ja yleensä kulmaista molempiin suuntiin siten, että skannattu tilavuus on pyramidinen (kuvio 7, kuva 3). Tällöin elektroninen tarkennus saavutetaan molemmissa tasoissa kulmaskannauksella, joten vastaavat nimitykset ja muoto ovat ”E

Vaihtoehtoisesti lineaariset tai kuperat ryhmät voidaan skannata mekaanisesti x-akselin ympäri yz-tasossa kustannustehokkaan 3D-kuvantamisen saavuttamiseksi. Näissä tapauksissa ryhmät liikkuvat akustisesti läpinäkyvissä kammioissa, jotka on täytetty nesteellä. Esimerkiksi linjataulukkoa (yleensä tyyppi A) pyöritetään z-akselin ympäri, jolloin saadaan sarja tasaisia \u200b\u200bkuvia (yleensä muoto 1 tai 4), jolloin tulokseksi saadaan mekaanisesti skannattu tyypin F muunnin kuvassa 4 ja skannattu tilavuuskuva 5 kuvassa 3. Vastaavasti , kaarevaa tai kuperaa taulukkoa (yleensä tyyppi C) pyöritetään akselin ympäri, jotta saadaan sarja tasomaisia \u200b\u200bkuvia (yleensä muoto 3), jolloin tuloksena on mekaaninen anturin tyyppi G kuvassa 4 ja 3D kuva 6 kuvassa 3.

Elektronisesti ohjatun liikkeen lisäksi näitä yksiulotteisia (1D) matriiseja (tyyppi A, B tai C) voidaan myös siirtää mekaanisesti manuaalisesti vapaakäden 3D-tilassa, jossa saadut kuvat kerätään yleensä kolmiulotteisina volyymeina. Tässä yhteydessä on syytä huomata, että kuvan rekonstruointi vapaakäden 3D-tilassa tarkoittaa joko jatkuvaa etäisyyttä koskevia oletuksia tai lisäpaikkatietoja kullekin paikkakuntatasolle, joka voidaan saavuttaa sijaintiantureilla.

Lopuksi kuvat yksielementtimuuntimista, joita käytetään pääasiassa intraluminaalisissa tai katetrisovelluksissa (kuten intravaskulaarinen tai intrakardiaalinen ultraääni), esitetään myös kuvissa 3 ja 8. Kuvassa 4H esitetty anturi voidaan skannata mekaanisesti 2D- tai 3D-kuvat kuvien 8 ja 9 mukaisesti, kuva 3. Muotoa 8 varten koetin (kuva 4H) on kulmassa kehän ympäri donitsin muotoisen kuvan tuottamiseksi. On aiheellista huomata tässä, että tästä endovaskulaarisesta ultraäänilaitteesta on myös matriisiversio. Jos tätä mekaanista anturia pyöritetään ja liikutetaan Y-akselia pitkin, saadaan sylinterimäinen tilavuuskuva, muoto 9, (kuva 3).

Yhteenvetona voidaan todeta, että kuviossa 4 esitetyt anturityypit voidaan yhdistää kuvassa 3 esitettyihin kuvamuotoihin käyttämällä kuvion 4 anturimuotojen alapuolella esitettyjä muotoja ja skannausmerkintöjä.

Kuvantunnistimen ominaisuudet

Tässä osassa käsitellään kriteerejä sen määrittämiseksi, mitkä ultraäänikuvausantureiden ominaisuudet ja niiden muodot on tunnistettava eri kliinisissä sovelluksissa.

Tämä koskee ensisijaisesti kliinisesti käytettyjä kuvakennoja, jotka toimivat taajuusalueella 1–20 MHz.

Tämän taajuuden yläpuolella olevia antureita käytetään erityissovelluksiin, kuten verisuonten tutkimiseen (katso kuvat 4, F ja G) tai pienten eläinten prekliinisiin tutkimuksiin, mutta ne sisältyvät myös keskusteluun aina kun mahdollista.

Akustiset ikkunat

Kuinka hyvin anturityyppi soveltuu "akustiseen ikkunaan" tai paikkaan, jossa se koskettaa kehoa visualisoidakseen kiinnostavia elimiä tai kudoksia? Vakioakustiset ikkunat tarjoavat esteettömän kuvan elimestä tai alueesta; monilla on sopimuksen mukaan erityisiä nimiä, kuten "transabdominaalinen" tai "parasternal pitkä akseli", jotta kuvia voidaan verrata ja kuvata peräkkäin. Tyypilliset ikkunat sijaitsevat seuraavien tärkeimpien ruumiinosien sisäpuolella tai pinnalla: pää, rinta, vatsa, lantio, raajat, astiat ja erilaiset kehon aukot. Anturit voidaan liittää tiettyihin alueisiin käyttämällä latinankielisiä etuliitteitä: "trans", "intra", "endo" jne. Esimerkki on "transthoracic", luokka, joka sisältää anturit, jotka tuottavat kuvia rinnan kautta ... Transkraniaalinen koetin skannaa pään kallon läpi.

Kuten mainittiin, rintakehäikkunaa varten vaiheistettu taulukko olisi sopivin, jos kuvankäsittelytehtävä edellyttää, että anturi on sijoitettu kylkiluiden väliin; tämä on tarkoitus sijoittaa kylkiluiden väliin ja maksimoida skannattu alue (kuva 2 kuvassa 3). Useimmille kosketuspinnoille, jotka ovat suhteellisen tasaisia \u200b\u200bja / tai hieman muotoaan muuttavia (esimerkiksi käytettyjä alusten pieniin osiin tai kuviin), yleisin ja yleisesti käytetty muunnintyyppi on lineaarinen ryhmä, joka on suunniteltu koskettamaan tasaisia \u200b\u200bpintoja pienenevän pinta-alan ja taajuuden kasvaessa. ... Tässä suorakaiteen ja puolisuunnikkaan muotoiset muodot (1 ja 4 kuvassa 3) tarjoavat sopivat katselualueet.

Kun kuvataan vatsassa kuvantamisalueen kasvattamiseksi kosketusalueen pienimmällä kasvulla, kuperat matriisit (kuva 4C) muodostavat kuvamuodon 3 (esitetty kuvassa 3) ja on suunniteltu tarjoamaan pintakosketusta kehon muodonmuuttuvilla pehmeillä alueilla.

Erikoisanturit

Erikoisanturit on suunniteltu toimimaan kehon sisällä. Näitä ovat mm. Transesofageaaliset vaihejärjestelmät, jotka soveltuvat manuaaliseen manipulointiin ruokatorvessa (kuvio 2 ja tyypin B anturi kuvassa 4). Lukuisia muita erikoistuneita koettimia on myös kehitetty kirurgiseen tai interventioon liittyvään käyttöön, kuten laparoskooppiset ja sydämen sisäiset koettimet. Nämä koettimet voivat olla lineaarisia tai vaiheellisia sovelluksesta ja käyttöikkunoista riippuen. Jotkut endo-koettimet: endovaginaalinen, endorektaalinen ja intrakavitaalinen (D-tyyppi) ovat toiminnallisesti samanlaisia \u200b\u200bkuin vaiheittaiset soihdutusanturit (kuva 2 ja kuva 4B) tai kuperat anturit (muoto 3 ja kuva 4C) pienen halkaisijan omaavan lieriömäisen kahvan päässä, reikiin asettamista varten maksimoimalla näkökenttä. Toinen esimerkki on intravaskulaarinen ultraäänianturi (kuva 4H), joka työnnetään laskimoihin litteän 8 tai volumetrisen 9 muodon kuvan saamiseksi.

Lupa ja tunkeutuminen

Valitun skannaussyvyyden avulla voit tarkastella kiinnostavaa aluetta. Esitysominaisuuksiin liittyviä tekijöitä ovat aktiivisen aukon koko, lähetetyn tarkennuksen syvyys ja taajuusalue. Tunkeutuminen on pienin skannaussyvyys, jolla elektroninen melu on näkyvissä käytettävissä olevien hallintalaitteiden optimoinnista huolimatta (tyypillisesti syvimmällä siirtotarkennuksella ja suurimmalla vahvistuksella), ja elektroninen melu pysyy kiinteällä syvyydellä myös silloin, kun ryhmää siirretään sivusuunnassa. Tunkeutuminen määräytyy ensisijaisesti anturin keskitaajuuden mukaan: mitä korkeampi taajuus, sitä matalampi tunkeutumissyvyys, koska kudoksen läpi kulkevan ultraääniaallon absorptio kasvaa taajuuden myötä.

Hyödyllinen ensimmäinen likiarvio tunkeutumissyvyyden (dp) arvioimiseksi tietylle taajuudelle on dp \u003d 60 / f cm-MHz, missä f annetaan megahertseinä. Siten voidaan odottaa 6 cm: n tunkeutumista 10 MHz: n keskitaajuusmuuntimesta. Kuten aiemmin todettiin, absorptiokerroin (akustinen tehohäviö syvyysyksikköä kohti) on taajuuden funktio ja vaihtelee kudoksesta toiseen (pehmytkudoksen arvot vaihtelevat välillä 0,6 - 1,0 dB / cm-MHz4). Akustisen häviön kuvaamiseen käytetty yleisempi termi on vaimennuskerroin, joka sisältää sironnan ja diffuusion aiheuttamat lisähäviöt ja on siten aina suurempi kuin absorptiokerroin. Vaimennuskerroin riippuu suuresti potilaasta ja akustisesta polusta.

Kuvan tarkkuuden 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 sisällytetään yllä olevaan valintaprosessiin, ovat anturin tehokkuus, kaksijohtoisen järjestelmän suunnittelu, järjestelmän signaali-kohinasuhde ja, kuten todettiin, kudoksen absorptio. Tärkein tekijä on absorptio - erilaisten kudostyyppien koostumus ja suhteellinen sijainti akustisen aallon polulla. Esimerkiksi paksu rasvakudoskerros vähentää tunkeutumisvirheistä tai poikkeamista akustisella polulla kiinnostavaan alueeseen. Samoin lisääntynyt lapsiveden määrä sikiön kuvantamisella parantaa tunkeutumista ja voi sallia korkeampien taajuuksien käytön kuin tietyssä skannauskohdassa yleisesti käytetyt taajuudet.

Anturin taajuusalue tai kaistanleveys määrittää, pystyykö se tukemaan 2D-kuvantamista eri keskitaajuuksilla sekä Doppler-, Harmonic- ja Color Flow -moodeja. Doppler-pohjaisten kuvantamistilojen on usein toimittava alhaisemmilla taajuuksilla kuin 2D, jotta minimoidaan alias. Harmoninen kuvantaminen käyttää määritelmän mukaan vastaanottotaajuutta, joka on lähetetyn taajuuden moninkertainen (yleensä 2); näin ollen tarvitaan laajaa kaistanleveyttä. Kaistanleveys ja tarkennusominaisuudet vaikuttavat myös kuvan tarkkuuteen. Kliinisessä käytännössä on tärkeää varmistaa, että tuloksena oleva kuva pystyy erottamaan pienimmät mahdolliset mitat sekä sivusuunnassa että aksiaalisuunnassa.

Lopuksi yksittäisten anturielementtien lukumäärä on kiinnostava, koska aktiivisten elementtien lukumäärä (lukuun ottamatta vaiheistettuja tai kulmassa skannattuja 2D-matriiseja) määrää kuvan sivuttaisen laajuuden tai leveyden. Vaiheisissa ryhmissä yhä useampi elementti liittyy parempaan resoluutioon ja tunkeutumissyvyyteen. 2D-matriiseille (yleensä symmetriset) elementtien lukumäärä x- ja y-suunnassa määrää lineaarisesti skannattujen taulukoiden äänenvoimakkuuden. 2D-vaiheistetulle ryhmälle tarkkuus ja tunkeutuminen kasvavat useammalla elementillä x- ja y-suunnassa, mutta kulmamuoto tai FOV pysyy samana käytetyn aktiivisen elementin lukumäärästä riippumatta. Kiinteään suuntaan tarkentaminen voi vaikuttaa epäsuorasti kuvaan, koska tarkennus on vain yhdessä syvyydessä ja paljon huonompi toisessa. 3D-kuvien mekaanisesti skannatuilla 2D-matriiseilla on sama kiinteä polttovälin syvyysrajoitus kuin 2D-kuvassa. Sitä vastoin kaikki täysin täytettyjen 3D-kuvien tai matriisiryhmien elementit tarkennetaan elektronisesti yhteen pisteeseen sekä atsimuuttitasossa että korkeustasossa, jotta saadaan parempi resoluutio.

Syvimmillään järjestelmässä käytettävissä olevien aktiivisten kanavien enimmäismäärä määrää resoluution (yhdessä tarkennuksen voimakkuuden ja järjestelmän melun kanssa). Avaruustarkkuus on yleensä huonompi (yleensä 2 kertaa) kuin ajallinen tarkkuus skannauslinjaa pitkin; tässä esitetyssä keskustelussa tarkkuus viittaa avaruuteen, ellei toisin mainita. Vaiheisissa ryhmissä kanavien lukumäärä vastaa yleensä elementtien enimmäismäärää. Yleensä, koska elementit ovat tavallisesti puolella aallonpituudella, mitä enemmän elementtejä, sitä parempi on tilan resoluutio, joka on kääntäen verrannollinen aktiiviseen aukkoon aallonpituuksilla. Esimerkiksi 64-elementtisen matriisin, 32-kertaisen aukon maksimitarkkuustila on 2 kertaa pienempi (leveämpi säde) kuin 128-elementtisen 64-aallon ritilän. Lineaarisen ruudukon tapauksessa, jossa voi olla useita satoja elementtejä, elementtien lukumäärä määrää kuvan sivuttaisen laajuuden, mutta aktiivisten kanavien lukumäärä ohjaa tarkkuutta. Näille 1D-ritilöille tason ulkopuolinen resoluutio (tunnetaan myös viipaleiden paksuutena) on huono, lukuun ottamatta lähes kiinteää polttoväliä. 2D-ryhmän matriisitarkkuus on kääntäen verrannollinen aktiivisiin aukkoihin, jotka muodostavat 2D-ryhmän sivut. 2D-ryhmillä on parempi resoluutio kuin kiinteän korkeuden tarkennuksella varustetuissa 1D-tarkennusryhmissä, koska tarkka tarkennus voidaan saavuttaa samanaikaisesti 3D-kuvan atsimuutissa ja korkeudessa.

Toinen tapa tarkastella lupaa on F #. Mitä pienempi F #, sitä parempi resoluutio. Yksinkertainen arvio säteen leveydestä millimetreinä, resoluution kokonaismitta, joka jättää absorboinnin huomiotta, on noin F # × λ, jossa λ on aallonpituus (1,5 mm / μs / f [MHz]). Esimerkiksi tarkkuus on 0,3 mm taajuudella 5 MHz, kun F # \u003d 1. Tarkennussyvyys riippuu myös aktiivisesta aukosta. Esimerkiksi 128-elementtisen 64-aaltoverkon syvin polttovälin syvyys suurimmalla aukolla ja F # \u003d 1 on F \u003d F # × L \u003d 64 aallonpituutta. Todellinen tunkeutumissyvyys tai hyödyllinen skannaussyvyys on tietysti syvempi kuin suurin polttoväli.

Anturien vaatimustenmukaisuus ja niiden kliininen käyttö

Nyt kun olemme kartoittaneet antureiden tyypit ja ominaisuudet kuvankäsittelyikkunoihin ja akustisiin ikkunoihin, voimme käyttää tätä tietoa valitessamme antureita tiettyihin kliinisiin sovelluksiin. Tiettyjen antureiden soveltuvuus tiettyihin sovelluksiin on myös kehittynyt historiallisesti erityisesti mukautettujen mallien avulla. Ensisijaisia \u200b\u200bhuomioita ovat tavoiteltu ROI, sen laajuus ja käytettävissä olevat akustiset ikkunat.

Vatsan kuvantaminen

Kun anturiryhmät otettiin ensimmäisen kerran kaupallisesti käyttöön vatsan kuvantamista varten (mukaan lukien synnytys ja gynekologia) 1970-luvulla, ne olivat lineaarisia (tyyppi A kuvassa 4 ja kuvasuhde 1 kuvassa 3). Useimmissa tapauksissa potilaan kosketusalue ei ollut kriittinen kysymys, ja jotkut näistä lineaarisista koettimista olivat melko pitkiä (esim. 8 cm) peittämään esimerkiksi sikiön pään kolmannella kolmanneksella. Pian kävi kuitenkin selväksi, että riittävän suuri peitto voidaan saavuttaa käyttämällä kaarevia tai kuperia matriisiristikoita (tyyppi C kuvassa 4) maksamatta hintaa siitä, että joudutaan käsittelemään melko hankalia lineaarisia antureita.

Kaarevat matriisit (kuva 4C) ovat valittuja työkaluja yleisimmälle 2D-vatsakuvantamiselle. Ergonomisiin tekijöihin liittyvä yleinen muotokerroin sekä anturin muodon ja FOV: n vaatimustenmukaisuus sovelluksen kanssa kehittyy edelleen vatsan 3D-kuvantamiseen. Näiden ritilöiden kolme avainkuvaajaa ovat perusala (aukon koko), näkökenttä ja kaarevuussäde (kuva 1C). Sormenjälki kuvaa kosketusalueen, yleensä suorakulmion, ympyrän tai ellipsin muodossa. Vaikka pääsy ei yleensä ole ongelma vatsan kuvantamisessa, kun tämän tyyppisiä antureita harkitaan uusissa sovelluksissa, pääsy ikkunoihin on ensiarvoisen tärkeää. Kaarevuussäde ja FOV (ilmaistuna maksimaalisen kulmapeittoasteen asteina) liittyvät kuvan mittakaavaan ja peittoon. Tunkeutumisen parantamiseksi joihinkin järjestelmiin on lisätty edistyksellistä signaalinkäsittelyä; tämä ominaisuus on kuitenkin yleensä käytettävissä vain tietyissä koettimissa.

Mekaanisille 3D-koettimille tällä hetkellä edullinen muotokerroin on mekaanisesti kaareva kupera koetin (kuvio 4G ja muoto 6 kuvassa 3); 2D-elektroniset kuperat matriisit ovat kuitenkin nyt täysin käytettävissä. Näissä tapauksissa annetaan kaksi näkökenttää ortogonaaliselle (suoralle) skannaussuunnalle. Vaihtoehtoisesti vaiheellisia taulukoita, niiden pienen alueen ja laajan kuvasuhteen vuoksi, käytetään myös vatsan kuvantamiseen. Lopuksi 2D- tai matriisiruudukot ovat yleistymässä näissä sovelluksissa niiden erinomaisen kuvanlaadun, tarkkuuden ja helppokäyttöisyyden vuoksi.

Intercostal-kuvantaminen

Tämän kuvantamisryhmän tärkeimmät sovellukset ovat sydämen skannaus ja maksan tutkiminen kylkiluiden välillä. Yksinkertaisesti kylkiluiden ja usein tunkeutuvien keuhkojen luomien rajoittavien anatomioiden ja rajoitettujen akustisten ikkunoiden takia, anturivalinnat rajoittuvat tässä vaiheistettuihin ryhmiin (kuva 4B). Juuri tällä alueella yritettiin ensimmäisiä käyttää lineaarisia ristikoita; ne kuitenkin katosivat nopeasti kylkiluiden varjostuksen ja vaiheistetun ryhmän paremmuuden vuoksi formaatin 2 muuntimessa (kuva 4). Sydäntutkimuksissa koettimien ristikkokoko on yleensä luokkaa 20 × 14 mm valmistajasta riippuen. Potilaan kosketuspinta on hieman suurempi. Nämä luvut ovat kehittyneet viimeisten 40 vuoden aikana ja riippuvat useista tekijöistä, kuten potilaiden lukumäärästä. Ikä on toinen näkökohta; kylkiluiden välinen etäisyys ja tunkeutumissyvyys on vaihdettava lasten kasvaessa.

Ei-kardiologisissa interkostaalisissa tutkimuksissa ritilöiden koot ovat hieman suuremmat. Kuten aiemmin todettiin, näiden anatomisien rajoitusten olemassaolo luo ylemmän suorituskykyrajan paikkatarkkuudelle, koska resoluutiokyky on kääntäen verrannollinen aukon kokoon, kuten edellä selitettiin. Sydän- ja intekuvan syvyys on suuri (potilaan koosta riippuen se voi olla 24 cm), mikä pakottaa käyttämään matalampia taajuuksia (1-3,5 MHz) ja aiheuttaa joitain lisähäviöitä kuvankäsittelyn suorituskyvyssä.

Sydämen kuvantamisessa on mielenkiintoinen näkökohta, jolla on ollut syvällinen vaikutus koettimien luonteeseen. Kylkiluiden ja muun akustisesti vihamielisen kudoksen läsnäolosta johtuen kaikukardiografia kärsii heijastavan melun aiheuttamista kuvista. Harmoninen kuvantaminen on onnistunut vähentämään melua. Tämän seurauksena anturin kaistanleveyden merkityksestä on tullut kriittinen sydänanturin suunnittelussa. Suurin osa sydänjärjestelmistä toimii nykyään 1,5 - 2,0 MHz: n taajuuksilla ja tietysti vastaanottaa signaaleja, joiden taajuudet ovat kaksinkertaiset tällä alueella.

Tärkein kehitys sydämen kuvantamisen alalla on ollut täysin täytettyjen 2D- tai matriisiryhmien (tyyppi E) toteuttaminen, jotka sisältävät tuhansia (yleensä 50 × 50) elementtejä. Tämä tekee mahdolliseksi näyttää reaaliajassa (4D) pyramidimääriä (muoto 7, kuva 3), mielivaltaisten tasoviipaleiden visualisointia, sydämen neliulotteista visualisointia ja värintoistoa. Lisäksi todellinen elektroninen tarkennus xz- ja yz-tasoissa tarjoaa erinomaisen tarkkuuden verrattuna kaikkiin muihin 1D-antureihin.

Pinta- ja rintakuva

Tämä luokka viittaa kaulavaltimoiden, jalkojen laskimoiden, rintakehän, kilpirauhasen, kivesten jne. "Pinnalliseen" kuvantamiseen, ja se sisältää pienten ruumiinosien, tuki- ja liikuntaelinten sekä perifeeristen verisuonten kuvantamisen. Tämä on viimeinen linnake lineaarisille ristikkosovelluksille (tyyppi A), joka muodosti alkuperäisen suunnittelutyypin aiemmin käsitellyille tutkimuksille. Tässä kliinisessä luokassa pääsy ei yleensä ole ongelma, ja itse koettimien mitat voivat olla pienet (johtuen 7-15 MHz: n korkeiden taajuuksien käytöstä ja siitä johtuvista pienistä elementtikokoista). Tuki- ja liikuntaelimistutkimuksissa käytetään 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 ääreisverisuonten kuvantaminen on pysynyt matalammalla (noin 3-11 MHz), koska on tarpeen sisällyttää syvemmät laskimot ja onnistunut Doppler-kuvantaminen ... Ruudukon kyky lisätä puolisuunnikkaan mallinnus (muoto 4) on tyypillisesti merkittävä etu. Kuten vatsakuvantamisen kohdalla, mekaanisesti kaarevilla koettimilla tai elektronisilla 2D-ryhmillä varustettu 3D-kuvantaminen on nyt saatavana pinnalliseen ja rintakehäkäyttöön, mikä parantaa huomattavasti käytettävissä olevaa peittoa ja kuvan laatua. Vaskulaarikuvaussovelluksissa joillakin koettimilla on se etu, että ne mahdollistavat tilat, jotka parantavat virtauksen visualisointia.

synnytys ja gynekologia

Tällä hetkellä mekaanisia kuperia tai lineaarisia ryhmiä (tyypit G ja F) käytetään laajalti 3D- ja 4D-kuvien tuottamiseen sikiöistä in vivo (formaatit 5-7). Matriisi- tai täysin täytettyjä 2D-taulukoita (tyyppi E) on myös saatavana 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 leveät näkökentät (muoto 3); kuitenkin voidaan käyttää myös vaiheistettuja taulukoita (tyyppi D) (muoto 2). Käytetyt taajuudet ovat yleensä 5 MHz tai korkeammat. Kuten muissakin sovelluksissa, 2D-ritilät on suunniteltu 3D-kuvantamiseen näissä tapauksissa.

Vastasyntyneet ja lapset

Lasten antureilla on yleensä pienempi pinta kuin aikuisille käytetyillä antureilla, ja ne toimivat korkeammilla taajuuksilla (≥7 MHz) kuin aikuisille. Kehon pinta-alasta riippuen käytetään erityyppisiä antureita, samanlaisia \u200b\u200bkuin aikuisille. Vaiheistettu ryhmä (tyyppi B) ja 3D-anturit (tyyppi E ja G) soveltuvat sydämen kuvantamiseen. Muita matriiseja, joista on hyötyä myös näissä kliinisissä tarpeissa, ovat staattinen (2D) ja 3D-linjaryhmille mekaanisesti kaarevat ja kuperat ristikot.

Aivonsisäiset tutkimukset

Aivonsisäiset anturit muodostavat suuren ryhmän erikoistuneita antureita, jotka on suunniteltu kuvantamiseen kehon ontelossa. Transesofageaalisia antureita käytetään sisäelinten, erityisesti sydämen, kartoittamiseen ruokatorven sisäpuolelta (katso kuva 5). Ne käyttävät korkeampia taajuuksia (≥5 MHz) ja ne toteutetaan vaiheistettuina ryhminä manipulaattoreilla ja moottoreilla anturin suuntauksen säätämiseksi. Pienikokoiset transesofageaaliset 2D-anturit tarjoavat elektronisen skannauksen 3D- ja 4D-kuvantamista varten.

Anturit voivat olla erikoistuneita katseluun, yleensä kehon aukkoihin tai astioihin. Sydänsisäiset vaiheittaiset ryhmämuuntimet työnnetään suonen läpi pääsyn saamiseksi sydämen sisäkammioihin. Kirurgisiin erikoistuneisiin koettimiin kuuluvat laparoskooppiset koettimet, jotka on asetettu pienten viillojen läpi visualisointia ja apua varten laparoskooppisessa leikkauksessa (samanlainen kuin endo-koettimet); ne ovat merkittäviä FOV: nsa vuoksi pienistä halkaisijoista huolimatta. Intraoperatiiviset koettimet on erityisesti muotoiltu sijoitettaviksi astioihin, elimiin ja alueille, joihin pääsee avoimen leikkauksen aikana (katso kuva 5). Muut tässä luokassa ovat kirurgisia ja interventiokoettimia, joilla on ainutlaatuiset muodot (katso kuva 5).

Kuten todettiin, rungon sovitettavat anturit on suunniteltu asennettaviksi pienten reikien läpi ja niillä on laaja näkökenttä (90 ° -150 °). Näihin antureihin kuuluu lantion alueen transrektaalinen (tai endorektaalinen) kuvantaminen käyttämällä peräaukkoa pääsyä varten ja jo kuvattu naisten lantion ja lisääntymiselinten endovaginaalinen (kutsutaan myös transvaginaaliseksi) kuvantaminen käyttämällä emättimen sisäänkäyntiä gynekologisiin ja synnytystutkimuksiin. Nämä aiemmin kuvatut endoanturit ovat sylinterimäisiä sopiakseen pieniin aukkoihin, ja niiden päissä on kuperat ryhmät (tyypillisesti 3-9 MHz), joissa on suuret näkökentät, kaksitasoiset tai mekaanisesti kaarevat kuperat ryhmät. Urologisiin sovelluksiin tarkoitetut koettimet sisältävät kaksitason.

Ainutlaatuinen anturi on kaksitasoinen anturi, joka koostuu kahdesta ortogonaalisesta taulukosta, jotka luovat kuvia xz- ja yz-tasoihin. Yleensä matriisit ovat pieniä (8-12 mm) ja kuperia. Jokaisen muodon ja ulottuman on vastattava yksitasoista anturimuotoa, kuten formaatti 3 kuvassa 3 ja kupera kuvassa 4C. Anturin rakenteesta riippuen myös sektorit tai lineaariset ryhmät ovat mahdollisia, joten käytännössä voidaan käyttää useita yhdistelmiä. Vaihtoehtoisesti 2D-matriisin renderointiominaisuuksien osajoukko on kahden ortogonaalisen 2D-kuvan samanaikainen esittäminen.

Suonensisäiset anturit työnnetään verisuoniin verisuonten seinämien visualisoimiseksi erilaisissa patologisissa olosuhteissa (tyyppi H ja muodot 8 ja 9). Useimmiten ne ovat mekaanisesti käännettyjä antureita, joiden taajuudet ovat yli 20 MHz, ja erikoistuneita kuvantamisjärjestelmiä, vaikka myös pieniä (halkaisijaltaan noin 2 mm) matriiseja on saatavana tätä varten.

Pääopinnot

Aivojen ja sen verisuonien transkraniaalinen kuvantaminen tapahtuu kallon rajoitettujen akustisten ikkunoiden, kuten temppelien tai silmien, kautta. Transrobitaaliset ritilät ovat suurtaajuisia (tyypillisesti\u003e 20 MHz) oftalmisia antureita, ja niitä käytetään silmän visualisointiin tai silmän käyttämiseen akustisena ikkunana. Transkraniaaliset koettimet ovat yleensä matalataajuisia (1-4 MHz) vaiheistettuja taulukoita, joita käytetään kallon verisuonten visualisointiin temppelien läpi ikkunoina.

johtopäätökset

Monet ultraäänianturit on suunniteltu kohdistamaan kehon tietyt alueet tiettyjä sovelluksia varten. Tämän artikkelin päätarkoitus on tarjota systemaattinen lähestymistapa, joka auttaa anturia kohdentamaan kliinisiin sovelluksiin, alkaen akustisesta ikkunasta, näytettävästä alueesta ja syvyydestä. Tätä varten taulukossa 1 on tarkistuslista muuntimen valitsemiseksi.

Taulukko 1. Lähettimen valinnan tarkistuslista

Kuten aiemmin todettiin, pääsy on keskeistä kohdealueen tai elinkuvantamisen keskustelussa: havaittu akustinen ikkuna.

Anturityypin on annettava pääsy valitun akustisen ikkunan läpi. Muuntajan tyyppi liittyy kuvasuhteeseen, ja aiemmin keskustellut yleiset valinnat sisältävät lineaarisia, vaiheistettuja, kuperia ja 2D-matriiseja. Anturin koon tai kosketuspinnan on vastattava ikkunan kokoa, ja äärimmäisissä tapauksissa, kun anturin ikkuna on reikä, anturin muodon tulisi olla sama kuin käytettävissä oleva reikä. Kuten edellä todettiin, jotkut tutkimukset vaativat erityisiä koettimia, kuten endorektaalisia koettimia, jotka ovat halkaisijaltaan (kooltaan) riittävän pieniä ja pitkänomaisia \u200b\u200bsopiakseen rungon aukkoon.

Toiseksi, koko tai FOV ja kuvasuhde valitaan halutun peiton saavuttamiseksi kiinnostavalla alueella. Sekä skannaussyvyys että kuvan leveys tai FOV ovat tärkeitä tässä. Lineaarisissa ryhmissä trapetsikuvantamista voidaan tarvita riittävän kattavuuden takaamiseksi. 3D- tai volumetriselle kuvalle kuvan laajuus voidaan määrittää suurimpana skannauskulmana kohtisuorassa suunnassa tai näkökenttänä ja kulmana. Hieman hienovaraisempi parametri 2D-kuville peittoalueen määrittämiseksi mielenkiintoiselle alueelle on korkeuden polttoväli, joka kuvaa aluetta, jolla on ohuin siipipaksuus.

Kolmanneksi, suurin skannaussyvyys määrittää korkeimman saavutettavan taajuuden tunkeutumissuhteen avulla, joka on annettu yllä kohdassa Resoluutio ja tunkeutuminen. Esimerkiksi, jos skannaussyvyys on 10 cm, tunkeutumissyvyyden d taajuus on 60 / d \u003d 60/10 \u003d 6 MHz, kuten Tarkkuus ja tunkeutuminen -osiossa käsitellään. Tämä taajuus antaa arvion paremmasta sivutarkkuudesta, joka on noin 1 aallonpituus F # \u003d 1: lle, tai tässä esimerkissä resoluutio λ \u003d c / f \u003d 0,25 mm (Anturin ominaisuudet ja kuvantaminen -osiosta). Poikkeus tästä säännöstä ovat järjestelmät, jotka käyttävät edistynyttä signaalinkäsittelyä herkkyyden lisäämiseksi ja tunkeutumisen parantamiseksi. Lisäksi pietsosähköisten materiaalien käyttö voi lisätä herkkyyttä ja siten tunkeutumissyvyyttä.

Neljänneksi tärkeimpien diagnostisten kuvantamistilojen kattavuus voidaan määrittää. Valmistajan toimittamista tiedoista voidaan erottaa eri moodien tukemiseen tarvittava tehollinen kaistanleveys tai todelliset kiinnostavat tilat, kuten pulssi-Doppler, useita näyttötaajuuksia tai elastografinen tila, voidaan listata tarkasteltavalle järjestelmälle. Anturit, joissa on pietsosähköisiä materiaaleja, voivat lisätä merkittävästi läpimenoa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että anturit ja grafiikkamuodot ovat kehittyneet paremmin vastaamaan paremmin tiettyihin kliinisiin sovelluksiin. Tässä artikkelissa annettu luokitus ja organisaatio ovat edellytys muuntimen valitsemiselle tiettyä tarkoitusta varten. Lisäksi tarjotut oivallukset voivat auttaa määrittelemään uusille sovelluksille tarvittavat anturin ominaisuudet ja laajentamaan siten anturin käyttöaluetta.