Ультразвук - разведчик болезней

Современные успехи клинической диагностики во многом определяются совершенствованием методов исследования. Значительный скачок в этом вопросе был сделан благодаря разработке и внедрению в практику принципиально новых методов получения медицинского изображения, в том числе ультразвукового метода.

Чрезвычайно ценной является способность эхографии отображать внутреннюю структуру органов. В связи с этим постоянно идёт процесс по повышению качества получаемой информации (картинки, измерений и т.д.).

Одними из основных аспектов, влияющих на качества изображения, является разрешающая способность (способность ультразвукового сканера увидеть наиболее мелкие объекты), фокусировка (чёткость изображения) и аподизация.

Динамическая фокусировка формируется с помощью сдвигов по временной задержке между электрическими импульсами - процесс формирования фронта волны. Сформировав необходимую форму фронта волны, излучаемую пьезоэлементами, можно сфокусировать луч на необходимую глубину и переключать глубину фокуса, тем самым добиваясь максимально чёткого изображения

Динамическая аподизация - амплитуда напряжения, воздействующая на активные элементы, т.е. изменение распределения интенсивности излучения, а следовательно, и мощности вдоль поверхности ультразвукового преобразователя. В динамической аподизации можно выделить: 1) прямую динамическую аподизацию; 2) обратную динамическую аподизацию.

Прямая динамическая аподизация служит для уменьшения артефактов боковых лепестков (помеха, ухудшающая качество изображения, маскирующая или искажающая действительное изображение) и шума реверберации (помеха, возникающая из-за постепенного затухания ультразвуковой волны после выключения источника волны) по сравнению с изображением, построенным только на основной частоте.

Для участков, протяженных по глубине, используется более мягкая фокусировка, но более сильная аподизация (рис. 2). Где: L - поверхность ультразвукового преобразователя, A - интенсивность излучения (отметка 1.0 - соответствует максимальной интенсивности излучения).

Задача обратной аподизации - увеличить разрешающую способность. Применять её на больших глубинах невозможно вследствие возникновения большого количества шумов. Однако на малых глубинах мы имеем возможность рассмотреть более мелкие сосуды и другие включения, т.е. получить более высокое разрешение. Общий вид распределения интенсивности, при обратной аподизации, представлен на рис. 3.

Где: L - поверхность ультразвукового преобразователя, A - интенсивность излучения (отметка 1.0 - соответствует максимальной интенсивности излучения).

Амплитуда напряжения сигналов, воздействующих на активные элементы решетки при излучении ультразвукового луча, обычно выполняется на основе применения ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) и высоковольтных усилителей (т.к. пьезокерамика работает с сотнями вольт), работающих в линейном режиме (т.к. он даёт возможность управлять или ограничивать ток и напряжение). Данный вариант реализации является достаточно затратным в части объема и стоимости аппаратных средств. Кроме того, использование высоковольтных усилителей, работающих в линейном режиме, связано с большой потребляемой мощностью. По этой причине аподизация отсутствует в ультразвуковых приборах низкого и среднего класса.

Анализ применения ШИМ для аподизации

В ряде работ было предложено выполнять аподизацию ультразвукового луча на основе управления шириной импульса возбуждения. В литературе этот тип управления называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). При использовании ШИМ управление амплитудой излучения выполняется путем изменения длительности положительных (t1) и отрицательных (t3) импульсов возбуждения, а сохранение частоты излучения достигается за счет добавления нулевых пауз (t2) между импульсами (см. рис 4., справа). ШИМ является простым в реализации из-за того, что работа осуществляется в ключевом режиме, который имеет низкую мощность потребления. Однако без применения специальных мер ШИМ не позволяет обеспечить аподизацию ультразвукового луча и, кроме того, имеет ограничения, связанные с формой излучаемого спектра.

Представим себе 2 высоковольтных транзисторных ключа, к которым подведены сигналы управления их открытием и высокое напряжение (для первого транзистора высокое положительное напряжение, для второго высокое отрицательное напряжение). Выходы обоих ключей соединены и идут на пьезокерамический преобразователь. По управляющему входу приходит сигнал на открытие первого ключа, что приводит к появлению на преобразователе высокого положительного напряжения, затем транзистор закрывается и идёт нулевая пауза, затем также открывается отрицательный высоковольтный ключ, что приводит к появлению на преобразователе высокого отрицательного напряжения, чтобы сократить время, необходимое пьезокерамике для перехода из состояния с высоким положительным напряжением в высокое отрицательное напряжение, выход транзисторов так же соединяют через резистор на землю (чем ниже сопротивление этого резистора, тем быстрее будет осуществятся данный процесс).

Высокий коэффициент полезного действия за счет работы транзисторов в ключевом режиме является существенным преимуществом ШИМ. Действительно, каждый из транзисторов работает в ключевом режиме, т.е. либо разомкнут, либо замкнут. В первом случае транзистор имеет бесконечное сопротивление, и поэтому ток в цепи не течёт, выделяемая мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю, выделяемая мощность также мала.