В данном материалы мы рассмотрим основные элементы всех современных УЗИ датчиков. 
Знать, как устроены, и как именно работают датчики современных ультразвуковых систем крайне полезно. С такими знаниями вам будет проще ухаживать за датчиками, понимать их сильные и слабые стороны, уязвимые места конструкции. Вы сможете быстрее и точнее распознать возможные проблемы, а значит — своевременно обратитесь за 

 

Чтобы понять общую логику и принципы построения, сначала мы рассмотрим классические типы датчиков. 

Под классическими здесь мы подразумеваем 4 наиболее распространенных типа датчиков, которые стали фактически стандартным набором для большинства УЗИ аппаратов:

• линейные, 
• абдоминальные (конвексные), 
• внутриполостные (микроконвексные) 
• и кардиологические датчики.

Такие датчики присутствуют сегодня практически в каждой системе. Конечно, сейчас часто можно встретить и объемные датчики, и многие другие виды, но мы подробнее рассмотрим первые четыре, так как на их примере очень просто разобрать и конструкцию, и принципы работы датчиков в целом.

 

И несмотря на явные внешние отличия, на особенности датчиков отдельных производителей, все эти модели имеют крайне похожее устройство 
Современный датчик УЗИ состоит из следующих элементов:

• Сканирующий модуль, который включает в себя
  • линзу (другое частое название — акустическая мембрана)
  • согласующие слои
  • кристаллы-пьезоэлектрики
  • и специальные демпферные элементы (которые нужны, чтобы гасить ненужные колебания)
• Все это находится в корпусе 
  • вместе с определенным количеством электроники 
  • (это отдельные платы или минимально необходимые элементы для подключения активных элементов сканирующего модуля в цепь
• корпус соединен с коннекторной частью кабелем.
• а сам коннектор непосредственно подключается к системе, при этом выполняя еще ряд функций.

 

Теперь мы рассмотрим каждую часть несколько подробнее.

Сканирующий модуль

Линза УЗИ датчика
Единственный видимый элемент сканирующего модуля - акустическая линза
(мембрана, покрытие).

• Сама линза изготовлена из особых полимерных материалов. ее форма, цвет, жесткость и состав могут существенно отличаться в зависимости от типа датчика и производителей. 
• Линза повторяет контур сканирующего модуля, формы датчика.
• На ней в центральной части иногда присутствует специальный выпуклый элемент (он нужен для того, чтобы упростить процесс формирования пучка УЗ лучей, дополнительно сформировать его геометрию) но чаще всего сами линзы таке абсолютно плоские.

У некоторых производителей линза покрывает не только переднюю часть датчика, но и края, создавая т.н. эффект водопада, это делается с различными целями (повышение качества визуализации, улучшение эргономики и частично - повышение герметичности передней части самого сканирующего модуля. Примеры таких датчиков можно найти у нескольких компаний, в т.ч. у. Esaote, BK Medical, Siemens, Canon и пр.). 

Важно, что даже в случае применения такой необычной линзы активные элементы расположены только на передней части грани, по бокам их нет. 

Материал линзы на ощупь может существенно отличаться. где-то он твёрдый, практически как пластик корпуса, где-то очень мягкий. но в любом случае такие материалы соответствуют главному требованию - балансу акустической проницаемости и защитных функций.

Линза ни в коем случае не  должна создавать никаких препятствий для ультразвуковых волн, и в то же время должна выдерживать десятки ежедневных обследований и дезинфекций, оставаясь герметичной, однородной, защищая расположенные за ней кристаллы от внешней среды, а внешнюю среду - от воздействия элементов датчика

Сразу за линзой находятся особые согласующие слои и кристаллы - основной элемент любого датчика.

Согласующий слой 
Согласующие слои - это тонкие пленочные материалы, расположенные между линзой и кристаллами. Такие слои выполняют 2 основные функции:

Слои являются границей раздела сред (между твердым материалом пьезоэлементов и отличающимся от них по структуре, более мягким материалом линзы)
Согласующий слой необходим для сохранения характеристик УЗ лучей при их переходе из модуля в линзу

Кристаллы

Модуль кристаллов (пьезоэлементов) может быть самой разной формы, в зависимости от типа датчика:

• плоский и прямоугольной вытянутой в линейных
• почти квадратным в кардиологических (но со своими особенностями)
• с большим радиусом кривизны в конвексных абдоминальных (менее выражен изгиб)
• с меньшим радиусом кривизны в микроконвексных (более выражен изгиб, видим почти всю окружность

Во всех этих случаях активная поверхность самого модуля плоская.

В сканирующем модуле могут быть специальные посадочные места под биопсийные направляющие (Если это биопсийные датчики) - более редкие, дорогие (как раз из-за более сложной формы и процесса изготовления модуля) Чаще вместо них используются биопсийные насадки, но знать о таких датчиках стоит)

Кристаллы — это особый материал - пьезокерамика, которая, благодаря явлениям прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта и делает возможным ультразвуковое исследование. 

Именно поэтому датчик - одна из важнейших частей всей системы. Каким бы современным и функциональным не был ваш аппарат, если в датчике есть проблемы с кристаллами - ни о какой качественной визуализации не может быть и речи.

Как работают кристаллы датчика

Под воздействием высокого напряжения кристаллы начинают вибрировать на высокой частоте, создавая ультразвук. и наоборот, под воздействием ультразвуковых волн, то есть высокочастотных колебаний, кристаллы генерируют электрические импульсы Эти импульсы получаются довольно слабыми. Впоследствии их необходимо усиливать, очищать от помех и определенным образом обрабатывать, чтобы получить достаточное количество информации, на основе которой ультразвуковые системы строят любую визуализацию

Классический вариант - одна группа пьезокристаллов. Конструктивно это единая часть, неразъемная, но состоящая из отдельных активных элементов, работа которых согласовывается для получения идеального симбиоза дополнительной электроникой.
От количества этих элементов и частотных характеристик зависит качество визуализации.

Отдельно отметим - датчики с фазированной решеткой (так называемые секторные фазированные кардиологические датчики). В таких датчиках ультразвуковые волны распространяются не под прямым углом к плоскости модуля, а с определенным отклонением. Таким образом, что в качестве области визуализации мы получаем сектор круга, где верхняя часть сходится в точку, а в нижней части угол обзора довольно широкий. С такими датчиками при относительно малой физической площади самого модуля мы получаем большую площадь визуализации.

Монокристаллический вариант - более однородная структура где отдельные элементы выполнены из одного того же кристалла, что снижает количество шумов, повышает разрешение, улучшает работу модуля в доплеровских режимах и дает некоторые дополнительные преимущества по сравнению с традиционной технологией изготовления и организации кристаллов в датчике.
Вариаций и компоновки кристаллов в датчиках очень много. Но важно помнить, что независимо от типа и производителя датчика, именно состоянием кристаллов во многом определяется качество получаемой визуализации.

Корпус датчика

Форма и габариты корпуса определяются анатомическими особенностями и типами исследований, для которых применяется тот или иной датчик:

• внутриполостные
• интраоперационные
• чреспищеводные
• карандашные 
• или те же биопсийные датчики

Важна и  и эргономика - корпус датчика должно быть удобно держать в руке.

В некоторых случаях корпус герметичен, но далеко не всегда весь корпус датчика можно погружать в раствор, что важно в первую очередь при дезинфекции. 
важно сверяться с руководством к датчику. На корпусе часто наносят специальные метки, по которые производителем разрешено погружение.

В некоторых случаях корпуса датчиков полностью герметичны, и даже поддерживают стерилизацию (в низкотемпературных плазменных стерилизаторах или специальных аппаратах, но не автоклавирование).

Материал корпуса большинства датчиков - это пластик, который хоть и довольно прочен, но уязвим к некоторым веществам, в частности - к спирту.
для транспищеводных датчков - материал корпуса - особая резина (похожая по составу на ту, что используется в гибкой эндоскопии)
В корпусе может быть расположена основная электроника: не только для подключения кристаллов, но и для управления самим датчиком.

Кабель

Кабель датчика выполняет одну очень важную функцию: передача данных и питания от аппарата к датчику и обратно. Осложняется зада чем, что при такой длине проводников они становятся своего рода антеннами, и передаваемую информацию необходимо защищать от помех.

Итак, что мы видим в этой части датчика:

Кабель с защитной изоляцией из полимерных материалов

под ним - металлическая оплетка - как для защиты от мех повреждений так и (в первую очередь) для экранирования от помех.

внутри кабеля, который мы видим на самом деле находится множество проводников, правильнее даже сказать отдельных кабелей, каждый из которых соединен с отдельным активным элементом. 

Все эти миниатюрные кабели также имеют собственную оплетку для еще более надежной защиты от помех, поскольку любая нежелательная информация (то есть помехи и наводки, которые кабель может поймать), существенно влияет на итоговое качество визуализации.

Число микро-проводников превышает число активных элементов датчика, поскольку часть проводов выполняет функции управления, а в более сложных типах датчиков есть и другие элементы помимо самих кристаллов (например- двигатель в классическом объемном датчике).
Присутствуют и запасные незадействованные провода на случай повреждения части основных проводников.

На кабеле также можно увидеть дополнительные защитные манжеты, которые также называют термином стрейн рельеф - у корпуса датчика и коннектора. Такие манжеты выполняют функцию защиты от механического постоянной механической нагрузки, изгиба.

Помимо манжет у корпуса и коннектора датчика у некоторых моделей можно найти защитные ферритовые сердечники (выступающие над кабелем элементы в пластиковом корпусе цилиндрической формы, как на некоторых принтерах, клавиатурах и прочих электронных устройствах). Они выполняют функцию дополнительной защиты от помех.

Коннектор

Основная функция коннектора — подключение датчика к УЗИ аппарату, передача информации с датчика в ультразвуковую систему, и подача питания (высокого напряжения) из УЗИ аппарата на датчик.
Корпус коннектора содержит в себе платы, к которым подключен кабель датчика, некоторую дополнительную электронику.
В некоторых случаях в коннекторе располагают также светодиоды для индикации активного датчика (но это конечно редкость)
Чаще всего на коннекторе есть замок, который удерживает датчик в разъеме на УЗИ аппарате. Это поворотный или откидной механизм с простой механической фиксацией, и помимо очевидной функции он является еще и своеобразной защитой. Современные аппараты подают высокое напряжение на датчик только в том случае, если коннектор находится в закрытом положении, поскольку система защиты самого УЗИ аппарата считывает сигнал со специальных датчиков холла.

Контакты, которыми датчик подключается к аппарату могут быть выполнены в виде так называемых пинов (отдельных штырьков) и в виде контактных площадок.