vol. 5 1/2016 Inżynier i Fizyk Medyczny
50
artykuł
\
article
ultrasonografia
\
ultrasonography
Należy jednak zaznaczyć, że zawsze jakaś część energii prze-
niknie przez powierzchnię graniczną (granice dwóch ośrodków).
Ilość energii, która przeniknie przez powierzchnię graniczną, to
współczynnik transmisji (T) [2].
T
= 1–
R
Dlaczego niewidoczne jest coś, co znajduje się za powietrz-
nymi strukturami? Współczynnik transmisji dla tkanek miękkich
i powietrza po obliczeniu (dane dla R z tabeli 2) wyniesie 0,01.
Wynika stąd, że niemal cała energia fali padającej zostanie od-
bita i nie nastąpi jej transmisja do powietrza. Otrzymane wy-
niki potwierdzają słuszność wykorzystywania podczas badań
żelu pomiędzy głowicą i skórą, w celu zniwelowania odbicia fali
ultradźwiękowej przez powietrze znajdujące się pomiędzy czo-
łem głowicy a ciałem pacjenta.
Czołowym zjawiskiem w ultrasonografii jest zjawisko odbi-
cia. Źródłem fal ultradźwiękowych są przetworniki, w których
wykorzystuje się zjawisko piezoelektryczne. Zjawisko to od-
kryli bracia Piotr i Jakub Curie w 1880 roku. Właściwości pie-
zoelektryczne spotykamy w wielu kryształach, takich jak kwarc,
turmalin, nioban litu, tantal litu czy też w ceramicznych odpo-
wiednikach, np. tytanian baru, tytaniano-cyrkonian ołowiu. Po
raz pierwszy kryształ kwarcu został zastosowany w przetworni-
kach w latach 50 XX wieku.
Jakie materiały i dlaczego zostały wybrane na przetworniki
piezoelektryczne głowicy ultrasonograficznej? Podstawowym
kryterium wyboru jest wielkość współczynnika sprzężenia elek-
tromechanicznego k
t
– im większy, tym lepszy.
k
energia przetworzona
energia dostarczona
t
=
Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego to spraw-
ność zmiany energii elektrycznej w energię akustyczną.
Budowa głowicy ultrasonograficznej
i rodzaje kryształów
W ultrasonografach spotyka się dwa typy ceramik. W starszych
jest to tytanian baru o współczynniku sprzężenia elektromagne-
tycznego
k
t
= 0,38, w młodszych urządzeniach wykorzystuje się
cyrkon i tytanian ołowiu o współczynniku
k
t
= 0,5. Pewne poli-
mery także wykazują właściwości piezoelektryczne. W medycy-
nie górują przetworniki wykonane z folii z polivilidenu fluoru.
Wadą tych materiałów jest duża strata dielektryczna, mała war-
tość k
t
i mała stała dielektryczna, z kolei ich atutem jest to, że
posiadają szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości.
W medycynie używamy zazwyczaj przetworników z płytkami
o okrągłym kształcie lub prostokątnym. Drgają one w kierunku
prostopadłym do powierzchni przetwornika. Dla głowic z jed-
nym przetwornikiem przewidziany jest przetwornik okrągły,
a dla głowic wieloelementowych – przetwornik prostokątny.
Rys. 1
Schemat wieloelementowej głowicy z liniowo położonymi przetwornikami
Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie budowę wielo-
elementowej głowicy z liniowo położonymi przetwornikami.
Do tylnej części przetwornika przyczepiony jest absorber o wła-
ściwościach silnie tłumiących ultradźwięki (wytłumia drgania
rezonansowe przetworników), a jednocześnie dobrze dopaso-
wany pod względem impedancji akustycznej. W przedniej części
znajduje się warstwa chroniąca przetworniki oraz ich elektrody.
Grubość warstwy powinna wynosić 1/4 długości fali, stąd λ/4.
Pierwszą warstwę stanowi soczewka ultradźwiękowa.
Warstwa podsoczewkowa musi wynosić λ/4, ponieważ wybór
odpowiedniej grubości warstwy pozwala osiągnąć kompromis
pomiędzy pasmem a czułością przetwornika.
Zjawisko piezoelektryczne
Jest to zjawisko fizyczne polegające na powstawaniu na prze-
ciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych prze-
ciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu. Proste zjawisko
piezoelektryczne ma zastosowanie przy odbieraniu fal w celu
zamiany drgań na sygnał elektryczny. Fale ultradźwiękowe są
wytwarzane w przetwornikach piezoelektrycznych położonych
na przedniej powierzchni sondy ultradźwiękowej (Rys. 1).
Odwrotne zjawisko piezoelektryczne
Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego dochodzi do
mechanicznej deformacji kryształu. Kryształy piezoelektryczne
mają zdolność odpowiadania na sygnał elektryczny wytwarza-
niem fali ultradźwiękowej, a także mogą zmieniać energię fali
ultradźwiękowej na odpowiedni sygnał elektryczny. Zjawisko to
wykorzystuje się podczas generowania ultradźwięków.
Impulsy ultradźwiękowe są wytwarzane dzięki wykorzystaniu
odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego. Wytworzone pod-
czas tego zjawiska drgania w pierwszej kolejności rozchodzą się
wokół kryształu, a później przenikają ciało pacjenta.
