Для ультразвуковых исследований заключается в том, что он излучает сигнал нужной частоты (обычно от 2 до 5 МГц), амплитуды и формы импульса, а также принимает отраженный сигнал от исследуемых тканей, преобразует в электрическую форму и передает для дальнейшего усиления и обработки.
Набор датчиков, идущих в комплекте с аппаратом УЗИ напрямую влияет на его стоимость, поэтому надо точно решить в какой области будет применятся ультразвуковой сканер и исходя из этого подобрать необходимую комплектацию.
Существует три вида ультразвукового сканирования - это конвексное, линейное и секторное, в связи с этим датчики имеют созвучные названия; конвексные, линейные и секторные.
Так же датчики делятся на сферы применения, такие как:
- Универсальные - применяются для обследования органов брюшной полости и органов малого таза;
- Внутреполостные - к таким датчикам относятся транвагинальные, чреспищеводные, биопсийные,интраоперационные,транректальные и трансуретральные;
- Педиатрические - данный тип датчиков отличается большей рабочей частотой, по сравнению с оборудованием, предназначенным для обследования взрослых;
- Кардиологические - из названия становится понятно, что данные датчики применяются для обследования сердца, а также для трансэзофагельного обследования сердца;
- Для обследования поверхностно расположенных органов - таких, как сосуды, суставы и щитовидная железа.
Конвексные датчики:
Получили такое название из-за того, что ультразвуковой преобразователь имеет форму выпуклой (конвексной) решетки, благодаря этому обеспечивается обширная зона обзора на средней и большой глубине. Частота работы датчика варьируется от 2 до 7.5МГц, глубина сканирования может достигать 25 см, ширина измерения на несколько сантиметров превышает ширину самого датчика.
Датчики данного типа применяются для сканирования глубоко расположенных органов, таких как: органы брюшной полости, органы тазобедренных суставов и мочеполовой системы.
Микроконвексный датчик :
является разновидностью конвексного датчика, предназначенного для использования в педиатрии.
Линейные датчики:
Датчики данного типа обладают высокой частотой сигнала от 5 до 15 МГц, за счет этого позволяют получать изображение с высоким разрешением на глубине до 10 см. Используются для обследования поверхностно расположенных органов.
Секторно-фазированные датчики:
Благодаря применению секторно-фазированной решетки изменяется угол луча в плоскости сканирования, это дает возможность провести исследования за ребрами, родничком или глазом. Наличие возможности независимого приема и передачи сигнала различными частями секторно-фазированной решетки, дает возможность работы с постоянно-волновым и непрерывно волновыми доплером.
Секторные датчики:
Для получения изображения с небольшого участка на большой глубине применяются датчики данного типа с рабочей частотой 1,5-5МГц.
Внутреполостные датчики:
Датчики данного типа предназначены для непосредственного введения в биологическую полость, подразделяются на несколько видов, в зависимости от цели обследования:
Трансвагинальные(интравагинальные) датчики - применяются в гинекологии;
Трансректальные датчики - основное применение данного датчика - это диагностика простатита;
Интраоперационные датчики - имеют очень компактный вид, так как вводятся непосредственно в операционное поле:
Трансуретральные датчики - служат для исследования мочевого пузыря путем введения через уретру, поэтому имеют маленький диаметр;
Чреспищеводные датчики - сконструированный по тому же принципу что и гибкий эндоскоп, поэтому имеет аналогичную систему управления ракурсом наблюдения, благодаря чему позволяет наблюдать за сердцем со стороны пищевода;
Внутрисосудистые датчики - служат для инвазивного обследования сосудов.
Биплановые датчики:
Совмещают в себе два вида излучателей конвекс + конвекс или конвекс + линейный. Благодаря такому технологическому решению изображение можно получать как в продольном, так и в поперечном срезе. Также существуют трех-плановые датчики, единовременно выводящие изображение со всех излучателей.
3 D/4 D датчики объемного сканирования:
Датчики данного типа позволяют производить автоматическое посрезовое сканирование органов с дальнейшим преобразованием в трехмерное изображение (3D). Возможность просмотра трехмерного изображения в реальном времени позволяет технология 4D, так же предоставляется возможность просмотра всех срезов изображений.
Матричные датчики:
Датчики с двумерной решеткой. Делятся на:
1.5D (полуторомерные). Количество элементов по ширине решетки меньше, чем по длине. Это обеспечивает максимальное разрешение по толщине.
2D (двумерные). Решетка представляет собой прямоугольник с большим количеством элементов по длине и ширине. Позволяют получать 4D изображение, одновременно выводить на экран несколько проекций и срезов.
Карандашные (слепые CW) датчики:
Данные датчики оснащены раздельным излучателем и приемником, и работают только в режиме непрерывно-волнового CW-допплера. Такие датчики не передают изображение в цветном и В-режиме, поэтому требуют ручного наведения на объект исследования для получения CW-спектра.
Применяются данные датчики для исследования крупных артерий, вен конечностей, шеи, а также сердца. Благодаря тому, что современные УЗИ аппараты позволяют получитьCW-спектр с помощью других типов датчиков, например, секторно-фазированных датчиков, необходимость в применение карандашных датчиков отпала.
Видеоэндоскопические датчики:
Датчик является видеоэндоскопической стойкой либо видеобронхоскопической стойкой с интегрированным ультразвуковым датчиком. Это позволяет добавить все преимущества ультразвукового исследования к традиционной эндоскопии и бронхоскопии.
Игольчатые (катетерные) датчики:
Для ввода в труднодоступные полости такие как сердце, сосуды используются данные микродатчики.
Лапароскопические датчики:
В зависимости от модели датчика кончик может изгибаться одной или двух плоскостях, или не изгибаться вовсе. Управление осуществляется джостиком, по аналогии с гибким эндоскопом. Благодаря своей конструкции может применяться для контроля в лапароскопических операциях.
Биопсийные или пункционные датчики:
Датчик имеют специальную конструкцию, в которой игла может проходить через отверстие в рабочей поверхности (апертуре). Служат для точного наведения биопсийных или пункционных игл. Из-за технологической сложности выполнения биопсийных датчиков, а как следствие более высокой цены, многие фирмы применяют биопсийные адаптеры- приспособления для наведения биопсийных игл. Адаптер может жестко крепится на корпусе обычного датчика и является съемным.
С современном аппарате УЗИ применяется большое количество датчиков, но за частую для работы врача необходимо 3-4 датчика, в зависимости от области исследований. При выборе аппарата УЗИ руководствуйтесь тем, в какой области он будет чаше всего у вас применятся и следуя из этого выбирайте необходимую комплектацию.
В ультразвуковой диагностике датчик играет едва ли не решающую роль, именно поэтому на общую цену ультразвуковых аппаратов влияет количество и функциональное назначение выбранных датчиков.
Как выбирается датчик?
Когда приобретается медицинское оборудование для оснащения кабинета, где будет проводиться УЗИ, необходимо определить, какой датчик нужен для вашей работы: поставить цели и установить, в каких областях будет использоваться (гинекология\акушерство, кардиология, неонатология, урология, педиатрия, абдоминальные исследование). Если вы выбираете датчик, также обязательно учитывайте глубину локализации изучаемых органов.
Применяемые сегодня датчики УЗИ различаются в соответствии с типом ультразвукового сканирования. Датчик может быть линейным, конвексным, секторным. Существуют и микроконвексные приборы.
Достаточно большой популярностью пользуются конвексные датчики, отличающиеся многофункциональными возможностями и широкой сферой применения.
Главные области эксплуатации датчика конвексного типа: абдоминальная зона (органы с локализацией в брюшной полости), органы мочеполовой системы, тазобедренные суставы. Датчик конвексного типа предназначен в основном для УЗИ внутренних глубоко расположенных органов.
Какие технические особенности имеют конвексные датчики?
- Технические особенности строения, которые отличают такой датчик, допускают возможность сканирования даже самых труднодоступных органов. Глубина сканирования может составлять до 25 см. При этом у специалиста всегда есть возможность регулировать частоту (она может быть от 2 до 7,5) в соответствии с индивидуальными особенностями комплекции и телосложения пациента.
- Датчик конвексного типа отличается специальной выгнутой поверхностью для обеспечения удобства эксплуатации при исследовании определенных глубоко расположенных органов.
- При получении изображения, которое выводится на монитор ультразвукового аппарата, можно будет заметить, что при конвекс сканировании ширина изображения будет больше размера датчика (разница составляет несколько сантиметров).
- Такие датчики УЗИ имеют радиус кривизны R 40-70 мм.
- В некоторых случаях учитываются другие характеристики: вместо радиуса может быть использована апертура, сканирующая поверхность. Данные понятия следует разграничивать. Любой датчик УЗИ конвексного типа имеет особую часть, называемую «сканирующей поверхностью», которая с наружной стороны смотрится как резиновое покрытие контрастного цвета, причем каждый производитель ставит свой цвет.
- Апертура у датчиков конвекс представляет собой особую зону сканирования, отображающуюся на мониторе ультразвукового аппарата, при этом ее ширина визуализируется наглядно только на экране. Следует также учитывать, что такой датчик всегда имеет сканирующую поверхность, которая будет больше апертуры.
- По углу сканирования датчики УЗИ конвекс – 50-80°.
Частота диапазона
Датчик конвексного типа может иметь различную частоту диапазона, так как она будет зависеть от некоторых особенностей диагностики и самих пациентов:
- если проводятся исследования беременных женщин, используется частота диапазона датчика от 3 до 8 МГц (такие же параметры актуальны при проведении исследований в области педиатрии);
- если проводится диагностика глубоко расположенных органов у пациентов крупной комплекции, рекомендуется использовать датчик с частотой диапазона от 2 до 6 МГц;
- при проведении неонатальных исследований следует выбрать датчик с частотой диапазона от 5 до 10 МГц (такая же частота нужна при диагностике в педиатрии).
В каких областях применяются конвексные датчики УЗИ?
Абдоминальные исследования. В качестве стандартных датчиков для проведения исследования абдоминальной области принято рассматривать именно конвексные. С их помощью специалисту удается изучить текущее состояние органов брюшной полости, установить соответствие норме и обнаружить возможные отклонения в желчном пузыре, почках, печени, селезенке, поджелудочной железе.
Исследования органов малого таза . Как известно, в гинекологии для повышения эффективности ультразвуковой диагностики и возможности получения наиболее точных данных используются трансвагинальные микроконвексные типы датчиков. Конвексные датчики применяются поверхностно, поэтому в гинекологии и акушерстве они необходимы только при диагностике плода на поздних сроках беременности женщины, а также при исследовании матки и мочевого пузыря у пациенток молодого возраста.
Сайт :: Дайджест ::
По данным публикации в журнале Ультразвука в медицине(Journal of Ultrasound in Medicine) за апрель 2013 - Ultrasound Transducer Selection in Clinical Imaging Practice / Выбор ультразвукового датчика в клинической практике визуализации - https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.7863/jum.20...
На протяжении более чем 50 лет, многие виды медицинских ультразвуковых датчиков используются в клинической практике. Они работают на различных центральных частотах, имеют различные физические размеры и формы, а также обеспечивают различные форматы изображений.
Например, фазированная решетка имеет небольшую (обычно 20 х 15 мм) контактную поверхность для установки между ребрами и имеет возможность создавать секторные изображения с широким охватом и глубиной при высокой (> 100 кадров/с) частоте кадров.
Хорошо известно, что пьезоэлектрические датчики могут при размещении на теле или внутри него передавать ультразвуковые импульсы и получать эхо-сигналы изнутри тканей и органов. Для получения клинически полезных изображений необходим дополнительный ингредиент, а именно сканирование. Обычно акустический луч, генерируемый отдельным датчиком, перемещается в заданном направлении либо электронным, либо механическим способом для получения серии импульсных эхо-линий, которые определяют плоскость изображения. Для 2-мерного (2D) сканирования плоскостью изображения является плоскость xz. Простой метод сканирования состоит в том, чтобы перемещать акустический луч постепенно, с шагом определяемым как дельта-x вдоль оси x. В каждой позиции создается импульсная эхо-линия, а затем набор полученных линий интерполируется для получения изображения прямоугольной формы. Альтернативный подход к перемещению заключается в смещении угла акустического луча по дуге, с шагом определяемым как дельта-тета в плоскости xz. Как и в предыдущем подходе, после получения полного набора линий они интерполируются в секторное 2-мерное изображение. Вариантом линейного сдвига является криволинейная геометрия, в этом случае массив расположен на кривой, образованной радиусом кривизны (R), а линейное приращение, дельта-s, находится вдоль криволинейной поверхности, а не прямой линии. Что интересно в этой геометрии, так это то, что это приращение вдоль кривой, эквивалентно угловому сдвигу через отношение дельта-s = R х дельта-тета. Вследствие этого типа сканирования вдоль дуги, линии разветвляются радиально.
Аналогично, сканирование может быть определено для плоскости yz. В этом случае поступательное сканирование выполняется вдоль оси y с шагом дельта-y, а угловое сканирование выполняется с шагом дельта-тета в плоскости yz. Для достижения трехмерного (3D) сканирования или сканирования в любом месте положительного полупространства, определяемого положительными осями x, y и z, сканирование в плоскостях xz и yz может быть объединено для формирования объемного сканирования пирамидальной формы.
Несмотря на то, что ранние (одноэлементные) датчики для ультразвуковой визуализации в двумерных плоскостях были механическими, к началу 1980-х годов для сканирования уже использовались многоэлементные датчики с массивами пьезоэлементов. Многоэлементный датчик для УЗИ состоит из набора одиночных пьезоэлементов, которыми можно управлять, как группами. В линейной матрице группа встроенных элементов включается и выключается постепенно, эффективно сдвигая активную группу элементов в сторону на дельта-x для создания отдельных импульсных эхо-линий, составляющих плоскость изображения. Импульсные эхо-линии интерполируются для формирования результирующего прямоугольного формата изображения соответствующего форме датчика.
Фокусировка может быть выполнена как механическим, так и электронным способом. Для линейного формата электронная фокусировка достигается для каждой линии сканируемого изображения путем управления временем задержки, при котором напряжение возбуждения отдельных элементов подается на группу активных элементов. В плоскости yz (т.е. плоскости, перпендикулярной плоскости изображения, часто называемой толщиной среза) достигается фиксированная фокусировка с использованием механической линзы.
Чтобы несколько облегчить ограничение фиксированного фокуса, некоторые производители систем визуализации предлагают массивы с несколькими строками в направлении z. Однако для полностью управляемой фокусировки в плоскости yz требуются двухмерные матричные датчики, которые способны обеспечить не только улучшенную фокусировку по z, но также трехмерные и 4-мерные (4D) изображения.
Типы датчиков
Чтобы классифицировать датчики, можно использовать аббревиатуры для их описания. В частности, M - означает механическое сканирование; E - электронное сканирование; и F - фиксированное - отсутствие сканирования. Направление сканирования является либо линейным (L) вдоль оси x, либо угловым (
Согласно приведенному выше описанию, каждый датчик может быть закодирован по типу сканирования и плоскостям. Например, линейная матрица L связана с электронным линейным сканированием, E в плоскости xz и фиксированной фокусировкой F в плоскости yz; поэтому полученные обозначения можно сократить как ELxz и Fyz.
Криволинейный или конвексный массив/датчик аналогичен линейному массиву за исключением того, что элементы находятся на криволинейной, а не плоской поверхности, и соответственно отличие в направлении сканирования - C, т.е. ECxz и Fyz. Этот формат, подобный по форме сектору или куску пирога с укусом, взятым из его вершины, часто описывается углом поля зрения (FOV), определяющим его боковую угловую протяженность.
Поскольку важность 3D-визуализации неуклонно растет, целесообразно обсудить ее более подробно. Для трехмерного изображения сканируется объем вместо плоскости, сканирование может быть электронным и обычно угловым в обоих направлениях, так что сканируемый объем имеет пирамидальную форму. В этом случае электронная фокусировка достигается в обеих плоскостях с угловым сканированием, поэтому - E
В качестве альтернативы, для достижения экономически эффективного 3D-изображения, линейные или конвексные массивы могут быть отсканированы механически вокруг оси x в плоскости yz. В этих случаях массивы перемещаются в заполненные жидкостью акустически прозрачные камеры. Например, линейная матрица (обычно типа А) поворачивается вокруг оси z для получения серии плоскостных изображений и таким образом мы получаем механический 3D датчик типа F. Аналогично, изогнутая или выпуклая матрица (обычно типа C) поворачивается вокруг оси для получения серии плоскостных изображений и таким образом мы получаем механический 3D датчик типа G.
В дополнение к электронно-управляемому движению, эти 1-мерные (1D) массивы (массив типа A, B или C) также могут быть перемещены механически вручную, при " ручном" 3D-сканировании, в котором полученные 2D-изображения в дальнейшем объединяются в 3D-объемы. Здесь стоит отметить, что реконструкция изображения для трехмерного изображения в " ручном" 3D режиме включает либо предположение о регулярном расстоянии, либо дополнительную пространственную информацию для каждой плоскости пространственного изображения, что может быть достигнуто с помощью датчиков положения(*ага разбежались, только куда их потом, эти дополнительные " GPS" -датчики подсоединять в аппарате?).
Наконец, для полноты понимания, в настоящее время одноэлементные датчики в основном используются во внутрипросветных или катетерных датчиках (для внутрисосудистых/внутрисердечных ультразвуковых исследований *и внутриигольных УЗИ - ). Один пеьзоэлемент, может механически перемещаться для получения 2D или 3D изображений. Также существует изображение по типу пончика(*диска), когда элемент перемещается под углом по окружности(*используется не только во внутрисосудистых УЗИ, но и при эндоУЗИ кишечника). Здесь уместно отметить, что существует также массивная(*многоэлементная) версия этого внутрисосудистого ультразвукового датчика. Если этот механический пьезоэлемент вращается и перемещается вдоль оси y, получается цилиндрическое объемное изображение(*3D-пончик).
Клиническое применение датчиков
Акустические окна
Насколько хорошо тип датчика подходит для " акустического окна" или места, где он контактирует с телом, чтобы визуализировать интересующие органы или ткани? Существуют стандартные акустические окна(*доступы); многие из них, по соглашению, имеют конкретные названия, такие как " трансабдоминальное" или " парастернальное окно длинная ось" , благодаря этому изображения в дальнейшем можно сравнивать. Типичные окна расположены в или на следующих общих областях тела: голова, грудь, живот, малый таз, конечности, сосуды и различные отверстия тела.
Как уже упоминалось, для трансторакального окна фазированная решетка была бы наиболее подходящей, если задача визуализации требует размещения датчика между ребрами; она предназначена для размещения в межреберных пространствах и максимизации сканируемой области. Для большинства контактных поверхностей, которые являются относительно плоскими и / или слегка деформируемыми (например, те, которые используются для поверхностно-расположенных органов или сосудистой визуализации), наиболее общим и часто используемым типом датчика является линейная матрица, предназначенная для контакта с плоскими поверхностями, при этом размер контактной поверхности уменьшается с увеличением частоты. Здесь FOV(*рабочая область изображения или поле зрения) прямоугольная или трапециевидная. При абдоминальной визуализации, для увеличения площади обзора с минимальным увеличением контактной поверхности, используются конвексные(выпуклые) массивы, которые предназначены для осуществления поверхностного контакта в деформируемых мягких областях тела(*В основном это живот).
Специализированные датчики
Специализированные датчики предназначены для работы внутри тела(*не обязательно - ). К ним относятся чреспищеводные зонды, которые представляют собой фазированные решетки, пригодные для ручного манипулирования внутри пищевода (тип B). Ряд других специальных датчиков также были разработаны для интервенционного или хирургического использования, таких как лапароскопические массивы и внутрисердечные массивы. Эти зонды могут быть либо с линейными, либо с фазированными решетками, в зависимости от поставленной задачи. Также существует еще несколько разновидностей эндо-датчиков: такие как эндовагинальные, эндоректальные и эндокавитальные (тип D), функционально похожи на концевые фазированные решетки(В) или конвексные решетки (C) на конце цилиндрического корпуса малого диаметра, чтобы вписаться в отверстия и все же максимизировать FOV. Другим примером является внутрисосудистый ультразвуковой датчик (тип H), который вставляется в вены.
Разрешение и проникновение
Выбранная глубина сканирования позволяет просматривать в интересующем диапазоне глубины. Факторы, участвующие в возможности визуализации, включают размер активной апертуры (скрытый для пользователя, обычно используется низкое значение f ), фокусную глубину передачи и доступные настройки регулировки усиления по времени. Проникновение(*проникающая способность) - это минимальная глубина сканирования, при которой виден электронный шум, несмотря на оптимизацию доступных элементов управления (обычно при самой глубокой настройке фокуса передачи и максимальном усилении), а электронный шум остается на фиксированной глубине даже при боковом перемещении массива. Проникновение в первую очередь определяется центральной частотой датчика: чем выше частота, тем меньше проникновение, потому что больше поглощение ультразвуковой волны, проходящей через ткань.
Полезным первым приближением для оценки глубины проникновения (dp) для данной частоты является dp = 60/f см-МГц, где f задается в мегагерцах. Таким образом, можно ожидать от датчика с центральной частотой 10 МГц проникновения сигнала на глубину 6 см. Как отмечалось ранее, коэффициент поглощения (потери акустической мощности на единицу глубины) является функцией частоты и изменяется от ткани к ткани (значения для мягких тканей варьируют от 0,6 до 1,0 дБ/см-МГц). Более общим термином, описывающим акустические потери, является коэффициент затухания, который включает в себя дополнительные потери из-за рассеяния и диффузии и, следовательно, всегда больше коэффициента поглощения. Коэффициент затухания сильно зависит от пациента и акустического пути.
Чтобы оптимизировать разрешение изображения, производители работали над увеличением частоты изображений для различных типов исследований. Например, около 30 лет назад живот смотрели датчиками с частотой 2,25 МГц, тогда как сегодня это число чаще составляет 3,5 МГц, а частоты некоторых акушерских и гинекологических датчиков достигают 5 МГц. Аналогичным образом, в последнее десятилетие наблюдается устойчивый рост ультразвуковой визуализации молочной железы.
Свойства датчика и изображение
Другими критериями, которые должны быть включены в вышеописанный процесс выбора, являются эффективность датчика, конструкция датчика, отношение сигнал / шум и, как уже отмечалось, поглощение сигнала тканями. Основным фактором является поглощение, состав и относительные положения различных типов тканей на пути ультразвукового сигнала. Например, толстый слой жировой ткани будет уменьшать проникновение из-за аномалий рефракции или аберрации по пути к интересующему участку. Аналогично увеличенные количества околоплодных вод при визуализации плода усиливают проникновение и могут позволить использовать частоты выше обычных.
Частотный диапазон, или ширина полосы частот датчика определит сможет ли он поддерживать B-режим на различных разбивочных частотах и также работать в допплеровском режиме, гармоники, и цвета. При использовании доплеровских режимов визуализации нам часто приходится работать с более низкими частотами, чем частота B-режима, чтобы минимизировать сглаживание. При гармоническом изображении, по определению, используется частота приема, которая кратна (обычно 2) передаваемой частоте; следовательно, требуется широкая пропускная полоса. Пропускная способность и фокусирующие свойства также влияют на разрешение изображения. В клинической практике важно обеспечить изображение с максимально мелким зерном(пикселем), как в продольном, так и поперечном размерах.
Количество пьезо-элементов датчика представляет отдельный интерес, поскольку количество активных элементов (за исключением фазированных решеток или двумерных решеток с угловым сканированием) определяет поперечную протяженность или ширину изображения. Для фазированных решеток увеличение числа элементов связано с улучшением разрешения и глубины проникновения. Для двумерных массивов (обычно симметричных) число элементов вдоль направлений x и y определяет степень объема для линейно сканируемых массивов. Для двумерной фазированной решетки разрешение и проникновение увеличиваются с большим количеством элементов вдоль направлений x и y, но FOV остается неизменной, независимо от количества используемых активных элементов. Фокусировка в фиксированном направлении может косвенно влиять на изображение, поскольку фокусировка расположена только на одной глубине и хуже в других местах. Для 3D-изображений механически сканированные 2D-массивы страдают от того же ограничения фиксированной по z фокусной глубины, которое встречается в 2D-изображении. Напротив, все элементы полноценного электронного 3D-массива фокусируются электронным способом в одной точке, чтобы обеспечить гораздо лучшее разрешение.
На самых глубоких глубинах именно максимальное количество доступных активных каналов(*элементов) в системе определяет разрешение (наряду с силой фокусировки и системным шумом). Пространственное разрешение обычно хуже (обычно в 2 раза), чем временное разрешение вдоль линий сканирования; в представленном здесь обсуждении разрешение относится к пространственному разрешению, если не указано иное. Для фазированных решеток, количество каналов, обычно соответствует максимальному количеству элементов. Как правило, поскольку элементы обычно находятся на полуволновом расстоянии, чем больше элементов, тем лучше пространственное разрешение, которое обратно пропорционально активной апертуре в длинах волн. Например, 64-элементная матрица с 32-волновой апертурой будет иметь максимальное пространственное разрешение в 2 раза ниже (более широкий луч), чем у 128-элементной 64-волновой матрицы. В случае линейного массива, который может иметь несколько сотен элементов, количество элементов определяет латеральную протяженность изображения, но именно количество активных каналов определяет разрешение. Для этих 1D массивов разрешение вне плоскости изображения (также известной как толщина среза) является плохим, за исключением фиксированного фокусного расстояния по z. Для двумерных массивов пространственное разрешение обратно пропорционально активным апертурам, образующим стороны двумерного массива. Двумерные массивы имеют лучшее разрешение по сравнению с 1D массивами, потому что истинная точка фокусировки в 2D массиве может быть достигнута одновременно.
Другой способ взглянуть на разрешение-F#. Чем меньше f#, тем лучше разрешение. Простая оценка полной ширины(луча) в миллиметрах, общая мера разрешения, пренебрегающая поглощением, составляет приблизительно F# х лямбду, где лямбда - длина волны (1,5 мм/микросек/f[МГц]). Например, разрешение будет 0,3 мм при 5 МГц для F# = 1. Фокусные глубины также зависят от активной апертуры. Например, для 128-элементного 64-волнового массива самая глубокая фокусная глубина, достигаемая при максимальной апертуре и F# = 1, равна f = F# х L = 64 длин волны. Фактическая глубина проникновения или полезная глубина сканирования, конечно, будет глубже, чем максимальная фокусная глубина.
Соответствие датчиков клиническому применению
Теперь, когда типы и свойства датчиков были связаны с визуализацией и акустическими окнами, они могут способствовать выбору датчиков для конкретных клинических применений. Уместность некоторых датчиков для конкретных применений развивалась исторически. Основными соображениями являются целевая область интереса и ее протяженность, а также доступные акустические окна, необходимые для доступа.
Абдоминальная визуализация
Когда в 1970-х годах для визуализации органов брюшной полости (включая акушерство и гинекологию) были впервые введены в промышленную эксплуатацию массивы датчиков, они были линейного типа (тип А). В большинстве случаев площадь контакта с пациентом не была критической проблемой, и некоторые из этих линейных массивов были достаточно длинными (например, 8 см *видали и по больше - http://www.jira-net.or.jp/vm/data/1986000017/19860... , звали их утюжками), чтобы покрыть, скажем, голову плода в третьем триместре. Однако вскоре стало ясно, что можно достичь большого охвата за счет использования криволинейных или конвексных матриц (тип С), не подвергая себя риску манипулирования довольно громоздкими линейными датчиками.
Конвексные датчики являются датчиками выбора для большинства общих областей 2D-визуализации, связанных с брюшной полостью. Форм-фактор, связанный с эргономическими факторами и пригодностью формы датчика и FOV к применению, для абдоминального 3D все еще эволюционирует. Три ключевых дескриптора для этих массивов - это контактная поверхность(общий размер апертуры), FOV и радиус кривизны. Контактная поверхность обычно имеет форму прямоугольника, круга или эллипса.
Для механических 3D-датчиков в настоящее время предпочтительным форм-фактором является конвексный массив с механической разверткой; в настоящее время становятся доступными и полностью электронные 2D-массивы. В этих случаях для ортогональных направлений сканирования задаются две FOV. Альтернативно, фазированные решетки, из-за их малой контактной поверхности и широкой FOV, также используются для брюшной полости. 2D матричные массивы становятся все более распространенными из-за их превосходного качества изображения, разрешения и простоты использования.
Межреберная визуализации
Применяется чаще для сканирование сердца и печени. Из-за ограничительной анатомии и ограниченных акустических окон, вызванных ребрами и наполненными воздухом легкими, выбор датчика здесь ограничен фазированными решетками. Даже в этой области были предприняты первоначальные попытки использовать линейные массивы; однако они были быстро отброшены из-за затенения ребер и превосходства формата датчика с фазированной решеткой(*это смотря для каких целей и смотря у кого! Линейный датчики и сейчас используются при межреберном сканировании, особенно у детей, т.к. линейные датчики обычно обладают максимальной частотой и, соответсвенно, максимальной разрешающей способностью на ближней дистанции). Кардио-датчики, как правило, имеют размеры массива на заказ от 20 х 14 мм в зависимости от производителя. Контактная поверхность с пациентом будет немного больше. Эти цифры изменились за последние 40 лет и зависят от ряда факторов, таких как общий размер пациентов в популяции, возраст, расстояние между ребрами и глубина проникновения - которые варьируют в разных возрастных группах населения(дети, взрослые).
У обычных межреберных датчиков размеры массивов несколько больше. Как отмечалось ранее, существование этих анатомических ограничений создает верхний предел производительности для пространственного разрешения, поскольку производительность разрешения обратно связана с размером апертуры, как было объяснено выше. Как в кардиальной, так и в общей межреберной визуализации глубина визуализации является глубокой (в зависимости от размера пациента она может достигать 24 см), что вынуждает использовать более низкие (1-3,5 МГц) частоты и приводит к некоторой дальнейшей потере производительности визуализации.
Существует интересный аспект визуализации сердца, который оказал глубокое влияние на природу датчиков. Из-за наличия ребер и другой акустически враждебной ткани на пути луча, эхокардиография страдает от артефактов визуализации из-за реверберативного шума. Внедрение гармонического изображения оказалось весьма успешным в снижении этого шума. Как следствие, важность пропускной полосы датчика стала критической в конструкции кардио-датчика. Сегодня большинство кардио-датчиков передают на частотах от 1,5 до 2,0 МГц и, конечно же, принимают сигналы на частотах в два раза большем диапазоне(*отдельно существуют детские кардио-датчики для грудных детей с более высокими частотами).
Основным достижением в области визуализации сердца была реализация матричных массивов (тип E), содержащих тысячи (обычно 50 х 50 или около того) элементов. Они позволяют в режиме реального времени (4D) отображать пирамидальные объемы, визуализировать срезы в произвольных плоскостях(* и еще так называемое 5D, когда одновременно отображаются на экране несколько срезов в произвольных плоскостях, очень удобно при проведении стресс-эхо, с одновременной визуализацией поперечных и продольных срезов сердца), а также 4D визуализацию сердца и цветовое изображение потока. Кроме того, истинная электронная фокусировка в плоскостях xz и yz обеспечивает превосходное разрешение по сравнению со всеми другими 1D матричными датчиками.
Поверхностно расположенные структуры(мягкие ткани) и молочные железы
Эта категория относится к поверхностной визуализации сонных артерий, вен ног, молочных и щитовидной желез, яичек и т.д. и включает категории визуализации поверхностно расположенных органов, скелетно-мышечной и периферической сосудистой систем. В этой клинической категории доступ обычно не является проблемой, и размеры самих датчиков могут быть небольшими (из-за использования высоких частот 7-15 МГц и результирующих малых размеров элементов *это когда как...бывает и очень даже не хватает длины датчика, особенно при измерении длины щитовидной железы). В последние 10 лет визуализация молочной железы перешла на очень высокие частоты (например, 14 МГц), в то время как визуализация периферической сосудистой сети осталась на более низких (около 3-11 МГц) значениях из-за необходимости осмотра глубоких вен ног и допплерографии. Обычно возможность массива добавить трапециевидное изображение (*трапециевидное сканирование или псевдоконвексный режим) является значительным преимуществом. Как и в абдоминальной визуализации, 3D-визуализация с механическими или электронными 2D-массивами теперь доступна, что значительно улучшает доступное покрытие и качество изображения.
Акушерство и гинекология
В настоящее время для обеспечения 3D и 4D визуализации плодов in vivo широко используются механические конвексные или линейные массивы (типы G и F). Матричные массивы (тип E) также доступны.
Для гинекологии используются специализированные эндо-массивы (тип D). Как правило, массивы находятся в конце датчика (концевые массивы) и представляют собой конвексные или изогнутые массивы с широкими FOV; однако можно также использовать фазированные массивы(тип D). Используемые частоты обычно составляют 5 МГц и выше.
Новорожденные и дети
Педиатрические датчики имеют более малые контактные поверхности, чем датчики используемые для взрослых и работают на более высоких частотных диапазонах(> 7 МГц *Конечно не всегда, дети разные, бывают такие дети, что по больше некоторых взрослых). В зависимости от региона тела применяются типы датчиков, аналогичные тем, которые предназначены для взрослых.
Внутриполостные(эндокавитальные) датчики
Внутриполостные датчики представляют собой большую группу специализированных датчиков, которые предназначены для изображения внутри полости тела. Трансэзофагеальные(чреспищеводные) датчики используются для визуализации внутренних органов, особенно сердца, изнутри пищевода. Они используют более высокие частоты (> 5 МГц) и реализованы в виде фазированных решеток с манипуляторами и двигателями для регулировки ориентации датчика. Миниатюрные чреспищеводные 2D массивы поддерживают электронное сканирование в 3D и 4D режимах.
Внутрисердечные фазированные решетки вводятся через сосуд, чтобы получить доступ к внутренним камерам сердца. Хирургические специальные зонды включают лапароскопические массивы, вставленные через небольшие разрезы для помощи при лапароскопической хирургии; они примечательны своей FOV, несмотря на небольшие диаметры. Интраоперационные массивы имеют специальную форму для размещения на сосудах, органах и областях, доступных во время открытой операции.
Как уже отмечалось, эндокавитальные датчики, прездназначенные для работы через небольшие отверстия обычное имеют широкой FOV (90°-150°). Эти зонды включают трансректальные (эндоректальные) для визуализации малого таза через прямую кишку и уже описанные эндовагинальные (также называемые трансвагинальными) для визуализации женского малого таза и репродуктивных органов через влагалище. Эти эндо-датчики, имеют цилиндрическую форму, чтобы вписаться в небольшие отверстия, а также имеют конвексные массивы (обычно 3-9 МГц) на их концах с большой FOV. Трансректальные датчики могут быть биплановыми.
Уникальными датчиками являются биплановые датчики, которые состоят из двух ортогональных массивов, создающих изображения в плоскостях xz и yz. Обычно массивы бывают небольшими (8-12 мм) и выпуклого типа. Каждый массив пьезоэлементов будет соответствовать определенному типу сканирования: конвексное, секторное или линейное, в зависимости от конструкции датчика, так что на практике можно использовать несколько комбинаций. Альтернативно, подмножество возможностей визуализации двумерного массива является одновременным представлением двух ортогональных двумерных изображений.
Внутрисосудистые датчики вводятся в кровеносные сосуды для изображения стенок сосудов при различных патологических состояниях (тип H). Они чаще всего представлены механически вращаемым одиночным пьезоэлементом с частотой более 20 МГц и специализированными системами визуализации, хотя существуют также крошечные (около 2 мм в диаметре) массивы, предназначенные для этой цели.
Транскраниальные датчики
Транскраниальная визуализация мозга и его сосудистой системы проводится через ограниченные акустические окна через череп, такие как виски или глаза. Трансорбитальные матрицы являются высокочастотными (обычно > 20 МГц) офтальмологическими датчиками и используются для изображения глаза или использования глаза в качестве акустического окна. Транскраниальные датчики обычно представляют собой низкочастотные (1-4 МГц) фазированные решетки, используемые для изображения кровеносных сосудов внутри черепа через висок в качестве акустического окна.
*комментарии редактора
Отдельным типом идут объемные датчики
3D и 4D. Они представляют собой механическое устройство с кольцевым или угловым качанием и вращением. С помощью них на экран выводится посредством сканирование органов, которое потом преобразуется в трехмерное изображение. Устройство 4D позволяет просматривать органы во всех срезовых проекциях. Рисунок 5 |
Линия слева от текста
Семейство датчиков:
Левый верхний квадрат: три верхних датчика – чрезпищеводные; два нижние –эндовагинальные.
Правый верхний квадрат: микроконвексный датчик в центре и по два фазированных с каждой стороны.
Нижний правый квадрат, слева направо: конвексный датчик, три линейных датчика, изогнутый линейный датчик, фазированный датчик.
Нижний левый квадрат, слева направо: два хирургических зонда и два интраоперационных.
Изогнутый, или конвексный датчик (рис. 4C) схож с линейным, за исключением того, что элементы находятся на изогнутой, а не линейной поверхности, как описано в методе сканирования «С» на рис. 1С, что приводит к формату изображения 3 на рис. 3. Этот формат, схожий по форме с сектором или куском пирога, у которого откусили верхушку, часто описывается как поле зрения (FOV), определяющее его латеральную угловую протяженность. В этом примере используется электронное линейное сканирование «E» в плоскости xz и фиксированная фокусировка «F» в плоскости yz; Поэтому результирующие обозначения сокращаются как «ECxz» и «Fyz», им соответствует формат «3», как показано на рисунке 4B.
Поскольку значимость 3D-визуализации неуклонно растет, уместно обсудить ее более подробно. Для трехмерной визуализации вместо плоскости сканируется объем, как показано внешним контуром, изображенным на рисунке 2B. Для двумерной или матричной решетки (рис. 4F) сканирование может быть электронным и обычно угловым в обоих направлениях, так что отсканированный объем имеет пирамидальную форму (изображение 7, рис. 3). В этом случае электронная фокусировка достигается в обеих плоскостях с угловым сканированием, поэтому соответствующие обозначения и формат имеют вид «E
В качестве альтернативы для достижения рентабельного 3D-изображения линейные или выпуклые массивы можно механически сканировать вокруг оси х в плоскости yz. В этих случаях массивы перемещаются в заполненных жидкостью акустически прозрачных камерах. Например, линейный массив (обычно типа А) поворачивается вокруг оси z, чтобы создать серию плоских изображений (обычно формата 1 или 4), так что результатом является механически сканируемый преобразователь типа F на рис.4 и отсканированное объемное изображение 5 на рисунке 3. Аналогично, криволинейная или выпуклая решетка (обычно типа C) поворачивается вокруг оси, чтобы создать серию плоских изображений (обычно формата 3), так что результатом будет механический датчик типа G на рис.4 и объемное изображение 6 на рис.3.
В дополнение к электронно управляемому движению, эти одномерные (1D) решетки (типа A, B или C) также могут быть механически перемещены вручную в режиме 3D свободной руки, в котором полученные изображения обычно собраны в трехмерные объемы. Здесь стоит отметить, что реконструкция изображения для 3D-режима свободной руки подразумевает либо предположения о постоянном интервале, либо дополнительную пространственную информацию для каждой плоскости пространственной визуализации, что может быть достигнуто с помощью датчиков положения.
Наконец, изображения, полученные одноэлементными преобразователями, в основном используемыми для внутрипросветных или катетерных применений (таких, как внутрисосудистое или внутрисердечное ультразвуковое исследование), также показаны на изображениях 8 и 9 на рисунке 3. Датчик, показанный на рисунке 4H, может сканировать механически для получения 2D или 3D изображений, как представлено на изображениях 8 и 9, рис.3. Для формата 8 датчик (рисунок 4Н) перемещается под углом по окружности, чтобы получить изображение в форме пончика. Здесь уместно отметить, что существует также матричная версия этого эндоваскулярного ультразвукового устройства. Если этот механический преобразователь поворачивается и перемещается вдоль оси Y, получается цилиндрическое объемное изображение, формата 9 (рисунок 3).
В заключение, типы преобразователей, изображенные на рисунке 4, могут быть сопоставлены с форматами изображений, показанными на рисунке 3, посредством использования форматов и обозначений сканирования, приведенных ниже форм преобразователя на рисунке 4.
Характеристики преобразователя для визуализации
В этом разделе обсуждаются критерии для того, чтобы определить, какие свойства ультразвуковых преобразователей изображения и их форматов необходимо идентифицировать для различных клинических применений.
В первую очередь это применимо к клинически используемым датчикам изображения, которые работают в диапазоне частот от 1 до 20 МГц.
Преобразователи, работающие выше этой частоты, используются для специальных применений, таких как эндоваскулярное обследование (см. Рис. 4, F и G) или доклиническое обследование мелких животных, но также включены в обсуждение везде, где это возможно.
Акустические окна
Насколько хорошо тип датчика подходит для «акустического окна» или места, где он контактирует с телом, чтобы визуализировать органы или ткани, представляющие интерес? Стандартные акустические окна обеспечивают беспрепятственный обзор органа или области; многие, по соглашению, имеют конкретные имена, такие как «трансабдоминальный» или «парастернальная длинная ось», так что изображения можно сравнивать и описывать последовательно. Типичные окна расположены внутри или на поверхности следующих главных частей тела: голова, грудь, живот, таз, конечности, сосуды и различные отверстия тела. Датчики могут быть связаны с определенными регионами с помощью латинских префиксов: «транс-», «интра-» «эндо-», и т. д. Примером является «трансторакальный», категория, которая включает в себя преобразователи, формирующие изображение через грудную клетку. Транскраниальный датчик сканирует голову через череп.
Как уже упоминалось, для трансторакального окна фазированная решетка была бы наиболее подходящей, если задача обработки изображения требует, чтобы преобразователь располагался между ребрами; это предусмотрено для помещения в межреберные промежутки и максимизации сканируемой области (изображение 2 на рис. 3). Для большинства контактных поверхностей, которые являются относительно плоскими и / или слегка деформируемыми (например, используемые для мелких деталей или изображений сосудов), наиболее общим и часто используемым типом преобразователя является линейная матрица, предназначенная для контакта с плоскими поверхностями с уменьшением площади поверхности и увеличением частоты. Здесь прямоугольные и трапецеидальные форматы (1 и 4 на рис. 3) обеспечивают соответствующие области просмотра.
При визуализации в области живота для увеличения зоны обзора с минимальным увеличением площади контакта выпуклые матрицы (рис. 4С) образуют формат изображения 3 (показан на рисунке 3) и предназначены для обеспечения поверхностного контакта в деформируемых мягких областях тела.
Специализированные датчики
Специализированные преобразователи предназначены для работы внутри тела. К ним относятся трансэзофагальные зонды с фазированными решетками, подходящими для ручного манипулирования внутри пищевода (изображение 2 и датчик типа B на рисунке 4). Ряд других специализированных зондов был также разработан для хирургического или интервенционного использования, такого как лапароскопические и внутрисердечные зонды. Эти зонды могут быть линейными или фазированными, в зависимости от применения и окон доступа. Некоторые эндо-зонды: эндовагинальный, эндоректальный и внутриполостной (тип D-формы) функционально подобны фазированным факельным датчикам (изображение 2 и рисунок 4B) или выпуклым датчикам (формат 3 и рисунок 4C) на конце цилиндрической ручки малого диаметра, для помещения в отверстия и при этом максимизации поля зрения. Другим примером является внутрисосудистый ультразвуковой датчик (рис. 4Н), который вводится в вены для получения плоского изображения формата 8 или же объемного в формате 9.
Разрешение и проникновение
Выбранная глубина сканирования позволяет просматривать интересующий диапазон. Факторы, связанные с возможностями визуализации, включают размер активной апертуры, глубину передаваемого фокуса и частотный диапазон. Проникновение - это минимальная глубина сканирования, при которой видны электронные шумы, несмотря на оптимизацию доступных элементов управления (как правило, при самом глубоком передаточном фокусе и максимальном усилении), а электронный шум остается на фиксированной глубине, даже когда массив смещен латерально. Проникновение в первую очередь определяется центральной частотой датчика: чем выше частота, тем меньше глубина проникновения, так как поглощение ультразвуковой волны, проходящей через ткань, увеличивается с частотой.
Полезным первым приближением для оценки глубины проникновения (dp) для данной частоты является dp = 60 / f см-МГц, где f дается в мегагерцах. Таким образом, можно было бы ожидать проникновения на 6 см от центрального частотного преобразователя на 10 МГц. Как отмечалось ранее, коэффициент поглощения (потери акустической мощности на единицу глубины) является функцией частоты и варьируется от ткани к ткани (значения для мягких тканей составляют от 0,6 до 1,0 дБ / см-МГц4). Более общим термином, описывающим акустические потери, является коэффициент затухания, который включает дополнительные потери из-за рассеяния и диффузии и, следовательно, всегда больше коэффициента поглощения. Коэффициент затухания очень зависим от пациента и акустического пути.
Чтобы оптимизировать разрешение изображения, пользователи и производители работали над увеличением частоты визуализации для различных типов исследований. Например, около 30 лет назад люди могли визуализировать брюшную полость с частотой 2,25 МГц, тогда как сегодня это число чаще составляет 3,5 МГц, а некоторые акушерские и гинекологические изображения достигают 5 МГц.
Свойства датчиков и визуализация
Другими критериями, которые должны быть включены в вышеописанный процесс выбора, являются эффективность преобразователя, конструкция двухпроводниковой системы, отношение сигнал/шум системы и, как уже отмечалось, абсорбция исследуемых тканей. Основным фактором является абсорбция – состав и относительное положение различных типов тканей на пути акустической волны. Например, толстый слой жировой ткани уменьшит проникновение из-за погрешностей рефракции или аберрации на акустическом пути к интересующей области. Подобным образом увеличенное количество амниотической жидкости с фетальной визуализацией усиливает проникновение и может позволить использовать частоты выше, чем обычно используемые на данном участке сканирования.
Частотный диапазон, или пропускная способность датчика, определяют, может ли он поддерживать визуализацию в двухмерном режиме на разных центральных частотах, а также работать в режимах Допплера, гармоники и цветового потока. Для режимов визуализации, основанных на доплеровском режиме, часто требуется работать с более низкими частотами, чем частота двухмерного режима, чтобы свести к минимуму наложение спектров. При гармоническом изображении по определению используется частота приема, которая является кратной (обычно 2) передаваемой частоте; следовательно, есть потребность в широкой пропускной способности. Пропускная способность и свойства фокусировки также влияют на разрешение изображения. В клинической практике важно гарантировать, что полученное изображение может различить наименьшие возможные размеры как в латеральном, так и в осевом направлениях.
Наконец, количество отдельных элементов датчика представляет интерес, так как количество активных элементов (за исключением фазированных решеток или сканированных под углом 2D-массивов) определяет поперечную протяженность или ширину изображения. Для фазированных решеток все большее число элементов связано с улучшенным разрешением и глубиной проникновения. Для двухмерных решеток (как правило, симметричных) количество элементов вдоль направлений x и y определяет размер объема для линейно сканируемых массивов. Для двухмерной фазированной сетки разрешение и проникновение увеличиваются с большим количеством элементов вдоль направлений x и y, но угловая форма или FOV остаются неизменными независимо от числа используемых активных элементов. Фокусировка в фиксированном направлении может косвенно влиять на изображение, поскольку фокусировка позиционируется только на одной глубине и намного хуже на другой. Для 3D изображений механически сканированные 2D-массивы имеют одинаковое фиксированное ограничение глубины фокусного расстояния, встречающееся в 2D-изображении. Напротив, все элементы полностью заполненных трехмерных изображений или матричных решеток фокусируются электронным путем в одной точке как в плоскости азимута, так и в плоскости возвышения, чтобы обеспечить гораздо лучшее разрешение.
На самой большой глубине это максимальное количество доступных активных каналов в системе, которое определяет разрешение (наряду с силой фокусировки и системным шумом). Пространственное разрешение обычно хуже (обычно в 2 раза), чем временное разрешение по линиям сканирования; в представленном здесь обсуждении разрешение относится к пространственному разрешению, если не указано иное. Для фазированных решеток количество каналов обычно соответствует максимальному числу элементов. Как правило, поскольку элементы обычно находятся на расстоянии половины длины волны, чем больше элементов, тем лучше пространственное разрешение, которое обратно пропорционально активной апертуре в длинах волн. Например, 64-элементная матрица, 32-кратная апертура будет иметь максимальное пространственное разрешение в 2 раза ниже (более широкий пучок), чем у 128-элементного 64-волновой решетки. В случае линейной сетки, которая может иметь несколько сотен элементов, количество элементов определяет латеральную протяженность изображения, но это число активных каналов, которое управляет разрешением. Для этих одномерных решеток разрешение из плоскости изображения (также известное как толщина среза) плохое, за исключением почти фиксированного фокусного расстояния. Для 2D-решеток пространственное разрешение обратно пропорционально активным апертурам, которые образуют стороны 2D-массива. Двумерные массивы имеют превосходное разрешение по сравнению с 1D массивом фокусировки с фиксированной фокусировкой по высоте, потому что точная фокусировка может быть достигнута одновременно по азимуту и высоте для трехмерного изображения.
Другим путем рассмотрения разрешения является F #. Чем меньше F #, тем лучше разрешение. Простая оценка ширины луча в миллиметрах, общая мера разрешения, пренебрегая поглощением, приблизительно равна F # × λ, где λ - длина волны (1,5 мм / мкс / f [МГц]). Например, разрешение будет 0,3 мм на частоте 5 МГц для F # = 1. Глубины фокуса также зависят от активной апертуры. Например, для 128-элементной 64-волновой сетки самая глубокая фокусная глубина, достигаемая при максимальной апертуре и F # = 1, равна F = F # × L = 64 длины волны. Фактическая глубина проникновения или полезная глубина сканирования, конечно, будет глубже максимальной фокусной глубины.
Соответствие датчиков и их клинического применения
Теперь, когда мы сопоставили типы и свойства датчиков с окнами визуализации и акустическими окнами, мы можем использовать эту информацию при выборе датчиков для конкретных клинических применений. Пригодность определенных преобразователей для конкретных применений исторически развивалась и с помощью специальных адаптированных конструкций. Первичные соображения – это целевая область интереса, ее протяженность и доступные акустические окна, необходимые для доступа.
Абдоминальная визуализация
Когда в 1970-е годы матрицы датчиков были впервые коммерчески представлены для абдоминальной визуализации (включая акушерство и гинекологию), они были линейного типа (тип А на рис. 4 с форматом изображения 1 на рис. 3). В большинстве случаев контактная область с пациентом не была критической проблемой, и некоторые из этих линейных датчиков были довольно длинными (например, 8 см), чтобы покрыть, скажем, головку плода в третьем триместре. Однако вскоре стало ясно, что можно добиться достаточно большого охвата за счет использования криволинейных или выпуклых матричных решеток (тип С на рис. 4), не расплачиваясь за то, что приходится манипулировать довольно громоздкими линейными преобразователями.
Изогнутые матрицы (рис. 4С) являются инструментами выбора для большинства общих 2D-изображений при абдоминальных исследованиях. Общий форм-фактор, связанный с эргономическими факторами и соответствию формы датчика и FOV для применения, для абдоминального 3D-изображения все еще развивается. Три ключевых дескриптора для этих решеток – это площадь основания (общий размер апертуры), поле обзора и радиус кривизны (рис. 1С). Отпечаток изображает область контакта, обычно в форме прямоугольника, круга или эллипса. Хотя для абдоминальной визуализации доступ обычно не является проблемой, когда эти типы преобразователей рассматриваются для новых применений, доступ к окнам имеет первостепенное значение. Радиус кривизны и FOV (выраженный в градусах максимального углового охвата) связан с масштабом и охватом изображения. Для повышения проникновения в некоторые системы была добавлена усовершенствованная обработка сигналов; однако эта функция обычно доступна только на определенных зондах.
Для механических 3D-зондов предпочтительным в настоящее время форм-фактором является механически изогнутый конвексный датчик (рисунок 4G и формат 6 на рисунке 3); однако теперь полностью доступны электронные выпуклые 2D-массивы. В этих случаях для ортогональных (прямых) направлений сканирования даются два поля зрения. Альтернативно, фазированные решетки, из-за их небольшой площади и широкого формата изображения, также используются для абдоминальной визуализации. Наконец, двумерные или матричные сетки становятся все более распространенными для этих применений благодаря их превосходному качеству изображения, разрешению и простоте использования.
Межреберная визуализация
Основными применениями этой группы визуализации являются сканирование сердца и исследование печени между ребрами. Просто из-за ограничительной анатомии и ограниченных акустических окон, созданных ребрами и часто вторгающимися легкими, выбор преобразователя здесь ограничен фазированными решетками (рис. 4B). Как раз в этой области были сделаны первые попытки использования линейных решеток; однако они быстро отпали из-за затенения ребер и превосходства фазированной решетки у датчика формата 2 (рис. 4). Для кардиологических исследований зонды, как правило, имеют размер решетки порядка 20 × 14 мм в зависимости от производителя. Площадь контакта с пациентом будет немного больше. Эти цифры развивались в течение последних 40 лет и зависят от ряда факторов, например, таких, как количество пациентов. Возраст - еще одно соображение; расстояние между ребрами и глубину проникновения необходимо варьировать по мере взросления детей.
Для некардиологических межреберных исследований размеры решеток несколько больше. Как отмечалось ранее, существование этих анатомических ограничений создает верхний предел производительности для пространственного разрешения, поскольку производительность разрешения обратно пропорциональна размеру апертуры, как объяснено выше. В исследованиях для сердечной и общей межреберной визуализации глубина изображения является большой (в зависимости от размера пациента, она может достигать 24 см), что вынуждает использовать более низкие частоты (1-3,5 МГц) и приводит к некоторым дополнительным потерям производительность обработки изображений.
Существует интересный аспект визуализации сердца, который оказал глубокое влияние на природу зондов. Из-за присутствия ребер и другой акустически враждебной ткани на траектории луча эхокардиография страдает от артефактов визуализации из-за отражающегося шума. Введение гармонического изображения оказалось весьма успешным в снижении этого шума. Как следствие, важность пропускной способности преобразователя стала критической в конструкции датчика сердца. Сегодня большинство кардиологических систем работают на частотах от 1,5 до 2,0 МГц и, конечно же, принимают сигналы с частотами, вдвое превышающими этот диапазон.
Важнейшей разработкой в области визуализации сердца была реализация полностью заполненных 2D или матричных решеток (тип E), содержащих тысячи (обычно 50 × 50) элементов. Это делает возможным отображение в режиме реального времени (4D) пирамидальных объемов (формат 7, рисунок 3), визуализацию произвольных срезов плоскостей, четырехмерную визуализацию сердца и цветопередачу. Кроме того, истинная электронная фокусировка в плоскостях xz и yz обеспечивает превосходное разрешение по сравнению со всеми другими одномерными датчиками.
Поверхностная и грудная визуализация
Эта категория относится к «поверхностной» визуализации сонных артерий, вен ног, груди, щитовидной железы, яичек и т. д. и включает категории мелких частей тела, опорно-двигательного аппарата и изображений периферических сосудов. Это последний бастион для применения линейных решеток (тип A), который сформировал начальный тип конструкции для рассмотренных ранее исследований. В этой клинической категории доступ, как правило, не является проблемой, а размеры самих зондов могут быть небольшими (из-за использования высоких частот от 7 до 15 МГц и результирующих небольших размеров элементов). Мышечно-скелетные исследования для визуализации мышц, связок и сухожилий также используют решетки этого типа. За последние 10 лет визуализация молочных желез перешла на очень высокие частоты (например, 14 МГц), в то время как визуализация периферической сосудистой сети оставалась на более низких (около 3-11 МГц) из-за необходимости включения более глубоких вен и успешного допплеровского представления. Как правило, возможность решетки добавлять трапецевидную визуализацию (формат 4) является значительным преимуществом. Как и при абдоминальной визуализации, трехмерное изображение с помощью механически изогнутых зондов или электронных 2D-решеток теперь доступно для поверхностного и грудного применения, что значительно улучшает доступный охват и качество изображения. Для применений, связанных с визуализацией сосудов, некоторые зонды имеют преимущества включения режимов, которые улучшают визуализацию потока.
Акушерство и гинекология
В настоящее время механические выпуклые или линейные решетки (типы G и F) широко используются для обеспечения 3D и 4D изображений плодов in vivo (форматы 5-7). Матричные или полностью заполненные 2D-массивы (тип E) также доступны для этого использования (обычно формат 7).
Для гинекологии используются специальные эндо-матричные формы датчика (тип D). Как правило, решетки находятся на конце датчика и представляют собой выпуклые или изогнутые решетки с широкими полями обзора (формат 3); однако, фазированные решетки (тип D) тоже могут использоваться (формат 2). Используемые частоты обычно составляют 5 МГц и выше. Как и в других приложениях, 2D-решетки были разработаны для 3D-изображений в этих случаях.
Неонатальные и педиатрические
Педиатрические датчики, как правило, имеют меньшие поверхности, чем датчики, используемые для взрослых, и работают на высоких частотах (≥7 МГц) тех, которые используются для взрослых. В зависимости от области тела применяются типы преобразователей, подобные тем, которые применяются для взрослых. Фазированные решетки (тип B) и 3D-преобразователи (типы E и G) подходят для визуализации сердца. Другие матрицы, которые также полезны для этих клинических потребностей, включают в себя статические (2D), а для трехмерных линейных массивов, механически изогнутые и выпуклые решетки.
Внутриполостные исследования
Внутриполостные датчики составляют большую группу специализированных датчиков, которые предназначены для визуализаций внутри полости тела. Трансэзофагальные датчики используются, чтобы получить отображение внутренних органов, особенно сердца, изнутри пищевода (см. Рисунок 5). Они используют более высокие частоты (≥5 МГц) и реализованы как фазированные решетки с манипуляторами и двигателями для регулировки ориентации датчика. Миниатюрные трансэзофагальные 2D-датчики предлагают электронное сканирование для 3D и 4D изображений.
Датчики могут быть узкоспециализированными для просмотра, как правило, в отверстиях тела или сосудах. Внутрисердечные фазированные датчики вводятся через сосуд, чтобы получить доступ к внутренним камерам сердца. Хирургические специализированные датчики включают лапароскопические датчики, вставленные через небольшие разрезы для визуализации и помощи в лапароскопической хирургии (по аналогии с эндо-зондами); они замечательны для их FOV несмотря на небольшие диаметры. Интраоперационные датчики имеют особую форму для размещения в сосудах, органах и областях, доступных во время открытой операции (см. Рисунок 5). Другие в этом классе - хирургические и интервенционные датчики с уникальными формами (см. Рисунок 5).
Как уже отмечалось, датчики, которые помещаются в тело, предназначены для установки через небольшие отверстия и имеют широкое поле обзора (90 ° -150 °). Эти датчики включают трансректальные (или эндоректальые) для визуализации тазовой области с использованием заднего прохода для доступа и уже описанныеи эндовагинальные (также называемые трансвагинальными) для визуализации женского таза и репродуктивных органов, использующих влагалище в качестве входа для гинекологических и акушерских исследований. Эти эндо- датчики, описанные ранее, выполнены в форме цилиндра, чтобы вставляться в маленькие отверстия и имеют выпуклые матрицы (обычно 3-9 МГц) на концах с большими полями зрения, бипланами или механически изогнутыми выпуклыми матрицами. Зонды для урологических применений включают биплан.
Уникальным датчиком является биплан-зонд, состоящий из двух ортогональных матриц, создающих изображения в плоскостях xz и yz. Обычно матрицы небольшие (8-12 мм) и выпуклого типа. Каждая форма и датчик должны соответствовать формату одноплоскостного преобразователя, такого как формат 3 на рис.3 и выпуклого на рис.4C. Однако в зависимости от конструкции преобразователя возможны также секторные или линейные решетки, поэтому на практике могут использоваться несколько комбинаций. В качестве альтернативы подмножество возможностей визуализации 2D-массива представляет собой одновременное представление двух ортогональных 2D-изображений.
Внутрисосудистые преобразователи вводятся в кровеносные сосуды для визуализации стенок сосудов при различных патологических состояниях (тип Н и форматы 8 и 9). Чаще всего они представляют собой механически повернутые одиночные преобразователи с частотами более 20 МГц и специализированные системы формирования изображений, хотя для этого также имеются крошечные (диаметром около 2 мм) матрицы.
Исследования головы
Транскраниальная визуализация мозга и его сосудистой сети осуществляется через ограниченные акустические окна в черепе, такие как виски или глаза. Трансробитальные решетки являются высокочастотными (обычно> 20 МГц) офтальмологическими преобразователями и используются для визуализации глаза или использования глаза в качестве акустического окна. Транскраниальные зонды обычно представляют собой низкочастотные (1-4 МГц) фазированные решетки, используемые для визуализации кровеносных сосудов черепа через виски в качестве окон.
Выводы
Многие ультразвуковые преобразователи предназначены для работы в определенных областях тела для конкретных применений. Основная цель этой статьи - обеспечить системный подход, который поможет согласовать преобразователь с клиническим применением, начиная с акустического окна, области и глубины, которые будут отображаться. С этой целью контрольный список для выбора преобразователя приведен в таблице 1.
Таблица 1. Контрольный список выбора преобразователя
Как указано ранее, главным в обсуждении визуализации целевой области или органов является доступ: предполагаемое акустическое окно.
Тип преобразователя должен обеспечивать доступ через выбранное акустическое окно. Тип преобразователя связан с форматом изображения, а ранее рассмотренные общие подборки включают линейные, фазированные, выпуклые и 2D-матрицы. Размер или контактная область преобразователя должны соответствовать размеру окна, а в крайних случаях, когда окно преобразователя является отверстием, форма преобразователя должна соответствовать доступному отверстию. Как отмечено выше, в некоторых исследованиях необходимы специальные зонды, такие как эндоректальные датчики, которые достаточно малы по диаметру (размеру) и имеют удлиненную форму, подходящую для входа в отверстие тела.
Во-вторых, размер или FOV и формат изображения выбираются для получения желаемого покрытия в интересующей области. Здесь важны как глубина сканирования, так и ширина изображения или FOV. Для линейных матриц наличие трапециевидной визуализации может потребоваться для адекватного покрытия. Для 3D, или объемного изображения, протяженность изображения может быть задана как набор максимальных углов сканирования в ортогональных направлениях или поле зрения и угол. Несколько более скрытый параметр для 2D-изображений для определения зоны покрытия для интересующей области - это фокусная глубина возвышения, которая описывает область с самой тонкой толщиной среза.
В-третьих, максимальная выбранная глубина сканирования определяет самую высокую достижимую частоту через отношение проникновения, данное выше в разделе «Разрешение и проникновение». Например, если глубина сканирования составляет 10 см, то, как уже обсуждалось в разделе «Разрешение и проникновение», частота от глубины проникновения d равна 60 / d = 60/10 = 6 МГц. Эта частота дает оценку наилучшего латерального разрешения около 1 длины волны для F # = 1, или, для этого примера, разрешение λ = c / f = 0,25 мм (из раздела «Свойства датчиков и визуализация»). Исключением из этого правила являются системы, которые используют усовершенствованную обработку сигналов для повышения чувствительности и улучшения проникновения. Кроме того, использование пьезоэлектрических материалов может повысить чувствительность и, соответственно, глубину проникновения.
В-четвертых, можно определить охват основных режимов диагностической визуализации. Из предоставленных изготовителем данных может быть выделена эффективная пропускная способность, необходимая для поддержки различных режимов, или для рассматриваемой системы могут быть перечислены интересующие фактические режимы, такие как доплеровский импульсный сигнал, наличие нескольких отображаемых частот или эластографический режим. Преобразователи с пьезоэлектрическими материалами могут существенно увеличить пропускную способность.
В заключение, датчики и графические форматы эволюционировали, чтобы лучше соответствовать конкретным клиническим применениям. Классификация и организация, приведенные в этой статье, служат предпосылкой для выбора преобразователя для определенной цели. Кроме того, представленное понимание может помочь в определении характеристик датчика, необходимых для новых случаев, тем самым расширяя диапазон использования датчика.