Медицинские ультразвуковые системы. Часть 2.

20.11.2015

2.2 . Формирование сигнала

Ненадежность механических ультразвуковых датчиков привела к разработке матричных систем, в которых луч управляется электронным способом и передает сигнал из ряда ультразвуковых активных элементов, расположенных на датчике. Сигнал излучается датчиком линейно, что позволяет получить ширину изображения равной ширине датчика. Это метод был широко использован для получения изображения при исследовании аппаратом УЗИ беременности. На сегодняшний день это ультразвуковое исследование считается безвредным для развивающегося плода.

Фокусировка лучаВскоре было обнаружено, что изображение может быть значительно улучшено путем фокусировки луча в виде функции глубины изображения. Отражение сигнала вначале происходит в центре сегмента и через несколько микросекунд на внешних краях. При задержке сигнала в центре до тех пор, пока он находится в фазе с тем, что идет от наружных краев, может быть создан гораздо более плотный сфокусированный луч. Вследствие принципа взаимности, передающий луч может быть также ориентирован путем применения передаваемого импульса внешних элементов. Изменяя кривизну задержки, луч может быть сфокусирован на различных глубинах.

Поскольку один датчик передает ультразвуковой сигнал и он же принимает отраженный сигнал, а скорость звука известна, глубина, на которой отражается данный сигнал, также становится известна. Это позволяет динамически фокусировать принимаемый сигнал в режиме реального времени, таким образом, чтобы лучи фокусировались на всю глубину изображения. Чтобы получить оптимальную фокусировку на всю глубину поля, был разработан многозонный вид передачи, в котором несколько импульсов, посланных для каждой линии, сфокусированы на разной глубине. Тогда конечное изображение формируется из долей частичных изображений, которые оказываются в фокусе. Но при этом имеется недостаток снижения частоты кадров.

Фазированный сигнал датчика сканера УЗИ управляет изображением посредством изменения фазы передаваемого ультразвукового сигнала с относительно меньшим сегментом, а не за счет изменения физического расположения центра луча. Чтобы направить луч, сигнал передается вначале от наиболее удаленного элемента желаемой области сканирования и постепенно передается к ближним элементам линии сканирования. Все сигналы соединяются в фазе направления сканирования.

Хотя первая фазированная матрица датчика был разработана для исследования головного мозга, позже специалисты увидели ее перспективное применение в аппаратах ультразвуковой диагностики для исследований в кардиологии. Сердечные изображения, как правило, получают направлением луча между ребрами. Фазированный сигнал передает веерный луч, идеально подходящий для этой цели. Электронный управляемый луч также позволяет создавать одновременные режимы, что особенно важно для кардиологии. Это дало возможность обеспечить В-режим изображения в реальном времени с одновременным отображением М-режима, в результате кардиологи могут получить детальное представление о движении клапана сердца.

Старые ультразвуковые системы использовали аналоговые переключатели для того чтобы обеспечить необходимую задержку сигналов, но цифровые технологии в новых аппаратах УЗИ вскоре заменили эту сложную схему. Требования по обработке цифрового сигнала луча и фокусировки чрезвычайно широки и до недавнего времени делались при помощи электроники, как правило, под заказ для конкретных приложений с интегральными схемами (ASIC). Например, типичная матрица может иметь 128 элементов, каждый 20-40 МГц. Это требует от 2,5 до 5 миллиардов операций в секунду, только для процесса получения формированного луча. Поскольку это повторяющиеся и детерминированные действия, ASIC идеально подходят для этой цели.

Для многих исследований, частота кадров является важным показателем производительности. Это особенно важно для быстрого захвата изображения движения клапанов сердца или отображения цвета потока, использующего несколько импульсов для оценки скорости кровотока. Использование в современных сканерах УЗИ цифровой обработки луча сделало возможным обработку нескольких параллельных сигналов. При этом более широкий луч передачи используется для покрытия несколько направлений.

Продолжение следует…

По материалам статьи Jeff Powers, Frederick Kremkau
Published 27 June 2011.DOI: 10.1098/rsfs.2011.0027

Комментарии

Пока нет комментариев

Написать комментарий