Интеллектуальные акустические сенсоры для УЗИ. Сенсоры для сейсморазведки. Сенсоры на ПАВ

7.2. Интеллектуальные портативные сенсоры для УЗ исследований

Одним из важных видов эхолокации являются ультразвуковые исследования внутренних органов человека, которые широко применяют в медицине. Скорость распространения УЗ волн в тканях человеческого тела составляет около 1540 м/с, т.е. близка к скорости в водной среде. Но из-за акустической неоднородности человеческого тела на границах раздела органов и тканей с разной плотностью и упругостью, происходит частичное отражение, рассеяние и преломление УЗ волн. Чем больше перепад плотности, тем выше амплитуда отраженной УЗ волны. Это и позволяет определять, а потом и воссоздавать в виде изображения пространственные границы между органами, тканями и разными структурными элементами тканей, их форму, размеры, взаимное расположение, локальные особенности. Применяя УЗ волны высокой частоты (1-15 МГц), удается достичь высокой разрешающей способности – до 0,1 мм. При отражении от подвижных объектов (дыхательные перемещения грудной клетки, диафрагмы, сокращения сердца, пульсация артерий, продвижение крови по сосудам и т.п.) изменяется частота отраженной УЗ волны (эффект Доплера). Измеряя величину изменения частоты, можно вычислить соответствующую скорость движения и визуально выделять участки внутренних органов, которые двигаются с разной скоростью, – даже довольно медленно (меньше 1 см/с).

УЗ исследования ( ультрасонографию ) применяют в медицине уже много десятков лет. Но раньше аппараты для таких исследований были не очень удобными, громоздкими, представляли собой большие комплексы, пригодные для применения лишь в стационарах. За последние десятилетия благодаря микросистемным и новейшим информационным технологиям, достижениям гидролокации удалось создать высококачественные портативные аппараты для УЗ исследований – по-настоящему "интеллектуальные" УЗ сенсоры, в том числе и для получения объемных (3-мерных) изображений ( объемной ультрасонографии ).

7.2.1. УЗ мультидатчики

Пространственное положение объекта, от которого отражаются УЗ волны, и его мелких деталей вычисляют, принимая и сравнивая сигналы, полученные от ряда датчиков, пространственно расположенных в разных местах. Такую технологию позволили довести до совершенства и практически реализовать так называемые " УЗ мультидатчики " – сформированные на одном кристалле кремния массивы из многих пьезоэлементов и электронных схем генерирования и обработки сигналов. Они являются одновременно и излучателями, и приемниками, и усилителями УЗ волн. На том же кристалле формируют и цифровые схемы, которые выполняют предварительную обработку сигналов. Разные датчики в массиве могут работать на разных частотах, что создает дополнительные возможности для сбора надежной, качественной информации. В одном мультидатчике могут содержаться несколько кристаллов кремния, и суммарное число пьезоэлектрических элементов достигает сотен штук.

В некоторых мультидатчиках кристаллы с пьезочувствительными элементами могут даже по заданной программе линейно перемещаться внутри корпуса, обеспечивая дополнительную трехмерную "развертку" изображения.

Промышленность выпускает много типов мультидатчиков, которые специализированы для УЗ исследований разных органов человеческого тела. На рис. 7.4 показаны лишь некоторые из них.

Рис. 7.4. Некоторые типы мультидатчиков для УЗ исследований: а – линейный датчик 10L1 (12-5 MГц / 36 мм); б – секторный фазированный датчик 5P1 (7-4 MГц); в, г, д – трансвагинальные датчики 6V1 (8-4 MГц / 11 мм); е – конвексный датчик C344 (5-2 MГц / 40 мм); ж – кардиологический микроконвексный датчик C611 (8-4 Mгц / 11 мм)

Не советуем Вам полагаться на чисто внешнее зрительное восприятие. За относительно простым внешним видом скрыты довольно сложные микроэлектронные устройства, которые по количеству выполняемых функций, по точности и сложности своего устройства можно по праву считать одним из чудес современной техники. Они значительно упрощают и облегчают дальнейшую обработку сигналов и формирование высококачественных УЗ изображений исследуемых внутренних органов и структур человеческого тела в базовом блоке аппарата для УЗИ.

7.2.2. Портативные аппараты для УЗИ

Из разных типов таких аппаратов, которые промышленно выпускаются, а их десятки, ознакомим Вас лишь с несколькими портативными. На рис. 7.5 слева показан современный аппарат SonoAce Pico для УЗ сканирования человеческого тела. Будучи переносным (357x320x204 мм, масса меньше 10 кг), он имеет практически такие же диагностические возможности, как и традиционные стационарные аппараты для УЗИ. Благодаря цифровой технологии формирования УЗ пучков и обработки сигналов он позволяет получать цветные изображения состояния внутренних органов с высокой разрешающей способностью.

Рис. 7.5. Портативные аппараты для УЗ исследований: слева – SonoAce-Pico; справа – Fukuda UF-750XT

Кроме возможности формирования объемных изображений и применения широкополосных мультичастотных датчиков, он может выполнять функции формирования трапецеидального изображения, увеличения масштаба изображения при исследовании малых органов. Он рассчитан также на применение микроконвексного датчика, имеет программы кардиологических исследований. Возможная глубина сканирования – до 30 см. В базовую комплектацию входят также электрокардиографический модуль с программным обеспечением, система SonoView Lite для архивации и дальнейшего просмотра эхограмм, ёмкая память, выходы для одновременного присоединения к базовому блоку двух датчиков.

Возможно применение многих прогрессивных технологий ультрасонографии:

Multi-beam – технология цифрового формирования УЗ пучков с подавлением влияния многократных отражений, нелинейных искажений, неточности интервалов задержки и т.п.

OTI (Optimum Tissue Imaging) – технология формирования оптимального изображения ткани благодаря коррекции скорости (выбор оптимальной скорости для каждой области, чтобы обеспечить высокое качество изображений одновременно всех видов ткани, таких как жировая, мышцы или паренхима печени).

THI (Tissue Harmonic Imaging – "тканевая" или вторая гармоника) – повышает качество изображений, их контраст и линейную разрешающую способность у пациентов с затрудненной визуализацией (например, с толстыми жировыми прослойками).

OHI (Optimized Harmonic Imaging) – применяется в особо трудных для исследования случаях.

FINE (Filtered Image for Noise reduction & Edge enhancement) – технология улучшенной фильтрации УЗ сигналов, которая уменьшает уровень шумов и обеспечивает более высокий контраст.

CAFE (Compound Automatic Flash Elemination) – обеспечивает адаптивную нелинейную фильтрацию для удаления цветных точек, которые возникают вследствие случайных артефактов. Улучшает визуализацию кровотока в доплеровских режимах.

Ультразвуковой диагностический сканер Fukuda UF-750XT показан справа на рис. 7.5. Он предназначен для неотложной (на выездах) УЗ функциональной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, щитовидной и молочной желез, почек, печени, желудка, желчного пузыря, половых органов. Цветной жидкокристаллический дисплей с диагональю 265 мм обеспечивает высокое качество изображений. Общие габаритные размеры сканера 380x220x370 мм, масса – меньше 13 кг. Оснащен магнитооптическим диском памяти на 640 Мбайт, на котором могут храниться до 6 тысяч эхограмм. Имея приблизительно такие же функциональные возможности, как и предыдущий сканер, он обеспечивает также УЗ исследование слабого и медленного кровотока.

Еще меньшие размеры и массу (78x350x280 мм и 4,5 кг) имеет созданный фирмой General Electric Medical Sуstems УЗ сканер Logiq Book, ( рис. 7.6). Он тоже цифровой, используется собственная информационная технология TruScan фирмы GE, обеспечивающая высокое качество изображений, лучшие возможности обработки данных и высокий уровень эргономичности.

Рис. 7.6. Портативный УЗ сканер Logiq Book

В состав программного обеспечения входят:

• программные пакеты для измерений, вычислений и автоматического создания отчетов (для акушерства, кардиологии, ангиологии, радиологии, урологии, гинекологии, хирургии, педиатрии);
• программы объемной реконструкции с возможностью мультипланового анализа, поддержки протокола беспроводной связи;
• программа формирования и поддержки базы данных пациентов с возможностью переноса данных на внешние носители и на внешний компьютер.

Современные аппараты для УЗИ позволяют проследить, например, даже за развитием эмбриона, начиная с 3-4 недель беременности, когда он имеет длину лишь около 1,5 мм, точно определить эмбриональный возраст, своевременно выявить пороки развития. Больше всего впечатляет возможность получения УЗ "портрета" ребенка на последнем этапе беременности. При угле обзора около 60 можно получить полное изображение лица ребенка ( рис. 7.7).

Рис. 7.7. Примеры УЗ фотографий еще не родившихся детей