Ультразвуковые сканеры, все о датчиках

Есть одно существенное различие: качество работы датчика ультразвукового сканера очень сильно зависит также от его акустического контакта с телом пациента. Это как если бы аудио колонку нужно было, к тому же, прикладывать прямо к барабанной перепонке.

Соответственно, при комплектовании ультразвуковой системы оптимальный подбор датчика является одной из самых важных задач. Не надейтесь, что кто-либо поможет вам в выборе. Такая ситуация является редким исключением. Не то, чтобы я или мои коллеги обладали низкой квалификацией. Просто, сам этот выбор полон нюансов. Работая 8 лет в продажах ультразвуковых систем – я до сих пор не чувствую уверенности в данном вопросе.

Современные развитые производители ультразвукового оборудования имеют весьма широкую номенклатуру датчиков, насчитывающую десятки позиций.

Параметров датчика не так много, но почти все они имеют важное значение. Условно ультразвуковые сканеры по типу датчиков можно разделить на «электронные» и «геометрические». Такой параметр датчика, как его тип, мы рассматривать не будем – это уж слишком. Электронные параметры мы не видим, они внутри датчика. Но их можно почерпнуть из спецификаций или, задавая настойчивые вопросы поставщикам. Геометрические параметры – это размеры и форма датчика. Они часто уже приведены в спецификациях или достоверную информацию о них сравнительно легко получить.

Я считаю, что геометрические параметры датчика не менее важны, чем такие общеизвестные электронные параметры, как частота или количество элементов. Дело в том, что датчик с удачными электронными но неудачными геометрическими параметрами может не раскрыть всех своих возможностей. Или даже вовсе не удовлетворить ваши потребности. Все из-за того, что акустический контакт при проведении данных исследований будет затруднителен. В итоге мы будем иметь либо слабое изображение, либо область исследования окажется недостаточной.

Тем не менее, выбор необходимо начинать с такого фундаментального параметра, как центральная частота датчика. Определив тип датчика и его центральную частоту, мы существенно ограничим число вариантов. А из них уже можно выбрать именно тот ультразвуковый сканер с датчиком, который вам больше всего подходит. Рассмотрим более подробно параметры датчиков.

1. Электронные параметры датчиков.

1.1. Центральная частота датчика.

Данный параметр является основным. Именно он определяет соотношение между разрешением ультразвукового изображения и тем, на какой глубине система может давать нормальную ясную картинку. 

Немного совсем не страшной физики. Центральная частота определяет: на колебания с какими частотами кристаллы датчика откликаются хорошо, а на какие не очень. То есть, когда центральная частота конвексного датчика 3,5 МГц, это значит следующее. Если подать на него электрические сигналы с частотами, допустим, от 3 до 4 МГц, то датчик произведет достаточно мощный ультразвуковой сигнал. Но, что более важно, в ответ на пришедшие обратно ультразвуковые колебания он произведет достаточно хорошие электрические импульсы. Их будет хорошо видно системе на уровне шумов, и она выдаст четкую картинку. Если подать на тот же датчик сигналы с частотой, допустим, 10 МГц, то он, во-первых, произведет достаточно слабые ультразвуковые волны. И главное, в ответ на вернувшиеся ультразвуковые волны он не даст никакого, даже слабого отклика. То есть, изображения система построить не сможет. 

Таким образом, датчик может работать нормально только с частотами, довольно близкими к его центральной частоте. Это верно в отношении режима серошкального изображения. Также данный фактор необходимо учитывать при настройке частот допплеровских режимов. Вы не сможете выжать из ультразвукового датчика то, ради чего он не был спроектирован.

Центральные частоты датчиков редко указываются в спецификациях. Хотя секретом они не являются. Дело в том, что во многих случаях их не вполне знают даже сервисные инженеры. Попробую предположить, почему.

В настоящее время все цветные цифровые системы являются мультичастотными. То есть, у датчиков через меню настроек можно менять частоту, на которой они передают и принимают сигналы. Разработчикам и маркетологам действительно хочется верить, что такие ультразвуковые  сканеры хорошо работают во всем этом диапазоне частот. Поэтому в спецификациях указывают весь диапазон частот, которые можно регулировать на данной системе. А центральная частота датчика оказалась незаслуженно забыта.

В выигрышном положении оказались специалисты УЗД, которые начали работать до появления мультичастотных датчиков. Многие их них не вполне понимают, что означает такой разброс частот, поэтому они стремятся выяснить именно центральную частоту того или иного датчика.

1.2. Диапазон рабочих частот датчика для ультразвукового сканера.

Это тот параметр, который приводится в спецификациях. Ему уделяют наиболее пристальное внимание и, одновременно, его точные значения являются одними из наименее полезных параметров датчика. Причины рассмотрены выше. 

В целом, при отсутствии другой информации, данный параметр можно использовать для оценки области применения датчика. Более высокие частотные диапазоны будут иметь датчики с большими центральными частотами и наоборот. 

Всегда смотрите в первую очередь на нижнее значение частоты этого диапазона. Оно лучше других позволяет отличить конвексные, микроконвексные или секторные фазированные датчики, предназначенные для исследований взрослых, от аналогов, предназначенных для исследований детей. По ним косвенно можно судить о центральной частоте ультразвукового датчика.

Нижние значения частот «взрослых» датчиков составляют 1, 1,5, 2, иногда 2,5 МГц. Иногда рекомендуют для исследований взрослых датчики с нижними частотами 3 МГц. Однако, при немалом среднем весе нынешнего типичного пациента, такой выбор обоснован разве что для акушерских исследований. Дело в том, что такие датчики могут иметь центральные частоты выше 3,5 МГц. Последняя до сих пор остается «золотым стандартом» датчиков для исследований взрослых.

Еще раз подчеркну: сами по себе значения частот ничего не говорят о качестве датчика. То есть, датчик с нижней частотой 1 МГц не обязательно имеет лучшее проникновение, чем датчик, с нижней частотой 2 МГц. Если их центральные частоты одинаковы, то, как они работают – зависит, скорее, от системы.

1.3. Количество элементов в датчике.

Данный параметр часто отсутствует в спецификациях систем, предлагающихся с датчиками, содержащими 128 элементов. Он же почти всегда выставляется напоказ в материалах об ультразвуковых сканерах, располагающими так называемыми «датчиками высокой плотности». Здесь чаще всего речь идет о датчиках с 192 или 256 элементами. 

Это не случайно: разумеется, в разы большее число элементов дает возможность получить меньшее расстояние между кристаллами и получить более четкую картинку. Однако, при помощи технических ухищрений, на которых мы здесь останавливаться не будем, низкое количество элементов может быть частично скомпенсировано. Поэтому датчики высокой плотности дают прирост качества изображения не в разы, а на несколько десятков процентов. Что, разумеется, тоже весьма неплохо.

Данный параметр является существенным, но его необходимо пристально уточнять у поставщика. Существуют технические методы демонстрации количества элементов в датчиках. Однако, сделать это могут только сервисные инженеры при поставке.

Нужно не путать количество элементов в обычном датчике с количеством элементов в матричном датчике. Последний представляет собой несколько слоев элементов, как бы положенных друг на друга. При этом расстояние между элементов такое же, как в обычном датчике или даже больше. И четкость, честно говоря, такая же.

2. Геометрические параметры датчиков.

2.1. Апертура датчика.

Иначе говоря, длина рабочей поверхности датчика. Данный параметр указывается только для линейных и секторных фазированных датчиков. Чем меньше апертура, тем выше плотность линий и лучше прилегание датчика. Особенно последнее важно при проведении допплеровских исследований. Но большая апертура дает возможность захватить больший участок поверхностного органа. 

В итоге, если вы исследуете большей частью поверхностные органы, в частности, щитовидную железу – можно рекомендовать выбор линейного датчика с апертурой приблизительно 45-50 мм. Если же размер датчика не так критичен – остальные факторы на стороне датчиков с меньшей апертурой – порядка 40 мм.

2.2. Радиус кривизны поверхности датчика (или просто радиус).

Этот важнейший параметр конвексных и микроконвексных датчиков часто также называют апертурой, что не совсем верно. Длина сканирующей поверхности таких датчиков для пользователя бесполезна. Датчики с одной и той же длиной поверхности могут иметь абсолютно различные формы и области применения.

Поверхность любого конвексного или микроконвексного датчика представляет собой часть окружности. То есть, если продолжить эту поверхность на бумаге штанген-циркулем, мы получим круг. Его радиус (расстояние от центра до границы) – это и есть тот самый радиус кривизны, который указывается в спецификациях.

Чем больше радиус – тем, разумеется, больше головка датчика, тем он «шире». Микроконвексные датчики имеют радиус кривизны порядка 8-20 мм. Конвексные – 40-60 мм.

Если микроконвекнсый датчик предполагается использовать для исследований мозга новорожденных через родничок или их сердца, лучше выбирать радиус порядка 10-20 мм. Датчик с большей головкой может просто не попасть в родничок или межреберье. Если же речь идет главным образом об исследованиях брюшной полости или пункциях – лучше подойдет датчик с большим радиусом.

Что до конвексных – то датчики с радиусом 60 мм позволяют исследовать пациентов практически любой комплекции. Однако, плотность линии у них не высока. Кроме того, зачастую часть сканирующей поверхности «простаивает». Поэтому в настоящее время наибольшую популярность приобрели датчики с радиусом 50 мм, как наиболее оптимальные.

2.3. Угол обзора датчика.

Данные параметр является, казалось бы, простым. Чем он больше, тем шире сектор сканирования и лучше обзор. Это не так, точнее, верно только для внутриполостных датчиков. Именно выбор неудачных значений угла обзора датчика является причиной наибольшего числа проблем у пользователей ультразвуковых систем. Причем данные промахи совершают не только потенциальные покупатели, но, увы, иногда даже сами производители ультразвуковых систем.

Поясню на примере. Допустим, угол обзора конвексного датчика составляет аж 180 градусов. То есть, его поверхность представляет собой половину круга. Чтобы полностью использовать все элементы данного датчика - необходимо полностью вдавить его в поверхность тела пациента так, что наружу торчать будет только рукоятка. В противном случае датчик будет прилегать к пациенту лишь незначительной частью своей поверхности и сектор сканирования будет небольшим.

По этой причине угол сканирования конвексных датчиков выбирается в диапазоне 60-80 градусов. Оптимальным считается угол 70 градусов. По той же причине углы обзора микроконвексных датчиков, предназначенных для исследований брюшной полости или контроля пункций, выбираются в диапазоне 90-120 градусов.

Заключение.

Для выбора датчика рекомендуется получить как можно больше информации обо всех вариантах, доступных для данной ультразвуковой системы. Если у данной системы поддерживаются как стандартные датчики, так и датчики высокой плотности, лучше остановиться на последних. Разумеется, когда этого позволяет бюджет. После необходимо определиться с центральной частотой датчика и далее подобрать вариант с оптимальными геометрическими параметрами. Рекомендации по их выбору приведены выше.

Вкратце:

• Оптимальный вариант конвексного датчика - 3,5МГц, R50мм, 70 градусов. 
• Оптимальный вариант линейного датчика - 7,5МГц, 40мм.
• Оптимальный вариант внутриполостного датчика – 6,5 МГц, R10мм, 180 градусов.
• Оптимальный вариант микроконвексного датчика для педиатрии – 5 или 6,5 МГц, R10-14мм, 90-120 градусов. 

Надеюсь, данная статья окажется полезной при выборе датчиков тем, кто имел терпение ее прочитать. Однако, главной своей целью она имела именно объяснить физический смысл тех или иных параметров. Отчетливо понимая их значение, вы сможете сделать иногда разный, но, несомненно, удачный выбор ультразвуковых датчиков.