51

3. ΕΝΟΤΗΤΑ 3 – ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΥΠΕΡΗΧΩΝ &

ΗΧΗΤΙΚΗ ΔΕΣΜΗ

Σύνοψη

Η ενότητα αυτή καλύπτει αναλυτικά την τεχνολογία παραγωγής και ανίχνευσης των ηχητικών κυμάτων καθώς

και τη μορφή που λαμβάνει η ηχητική δέσμη με σκοπό την περαιτέρω ανάλυση των διαφόρων τεχνικών απεικό-

νισης που υπάρχουν στα σύγχρονα υπερηχογραφικά συστήματα.

3.1. Πιεζοηλεκτρικό Φαινόμενο Η παραγωγή και ανίχνευση των υπερήχων που χρησιμοποιούνται στην ιατρική υπερηχογραφία βασίζεται στο

πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Πρόκειται για έναν μηχανισμό μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική

και αντιστρόφως. Όταν κρυσταλλικά υλικά συμπιέζονται από ηχητικά κύματα, στην επιφάνειά τους αναπτύσ-

σονται ηλεκτρικά φορτία. Αντιθέτως, όταν στα υλικά αυτά εφαρμοσθεί ηλεκτρική τάση, παρουσιάζονται μη-

χανικές παραμορφώσεις (διόγκωση, συμπίεση) (Ballato, 1995).

Εάν σε κατάλληλο κρύσταλλο εφαρμοσθεί μια εναλλασσόμενη τάση, τότε ορισμένες διαστάσεις του κρυ-

στάλλου (π.χ. το ύψος του) θα υφίστανται συνεχείς αυξομειώσεις (Σχήμα 3.1).

ΠιεζοηλεκτρικόςΚρύσταλλος

ΠιεζοηλεκτρικόςΚρύσταλλος

(α)

(β)

52

Σχήμα 3.1 (α) Μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε ακουστική – αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, (β) μετατροπή

της ακουστικής ενέργειας σε ηλεκτρική – ευθύ πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

Αυτές οι συνεχείς αυξομειώσεις δημιουργούν μία παλινδρομική κίνηση (δόνηση) στον κρύσταλλο. Το αποτέ-

λεσμα είναι ότι οι παλινδρομικές κινήσεις μεταδίδονται στο περιβάλλον (αέρας, ιστοί) υπό μορφή αυξομειώ-

σεων της πίεσης. Αυτός ακριβώς είναι ο υπέρηχος. Κατά την αντίστροφη πορεία ένα προσπίπτον ηχητικό κύ-

μα μεταδίδει τις μηχανικές του δονήσεις στον κρύσταλλο. Ο κρύσταλλος δονείται και οι μηχανικές του δονή-

σεις προκαλούν την εμφάνιση εναλλασσόμενου ηλεκτρικού δυναμικού (και φορτίου). Αυτό σημαίνει ότι η

μηχανική – ακουστική ενέργεια του ηχητικού κύματος μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Το ηλεκτρικό δυναμικό (ή

το φορτίο) μπορεί εύκολα να μετρηθεί με τη βοήθεια ηλεκτρονικών διατάξεων. Έτσι επιτυγχάνεται η ανί-

χνευση των υπερήχων. Συνεπώς η ίδια πηγή μπορεί να είναι συγχρόνως και ανιχνευτής ηχητικών κυμάτων

(Kossoff, 2004). Οι πιο γνωστοί πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι που συναντώνται στη φύση είναι ο χαλαζίας

και το άλας Rochelle. Στα σύγχρονα απεικονιστικά συστήματα χρησιμοποιείται ένα τεχνητό κεραμικό υλικό -

ο τιτανιούχος ζιρκονιούχος μόλυβδος - PZT. Το υλικό αυτό χαρακτηρίζεται από υψηλή απόδοση και ευαι-

σθησία ως προς την παραγωγή και ανίχνευση υπερήχων. Επίσης μπορεί πολύ εύκολα να λάβει το επιθυμητό

σχήμα και μέγεθος. Αν και πρόκειται για κεραμικό και όχι κρυσταλλικό υλικό, ο όρος πιεζοηλεκτρικός κρύ-

σταλλος εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στη βιβλιογραφία.

3.2. Πόλωση Ο PZT ανήκει στην κατηγορία των λεγόμενων σιδηρομαγνητικών υλικών. Στα υλικά αυτά δημιουργούνται

περιοχές, στο εσωτερικό των οποίων σχηματίζονται ηλεκτρικά δίπολα προσανατολισμένα σε καθορισμένη

κατεύθυνση. Οι περιοχές διατάσσονται έτσι ώστε μακροσκοπικά το υλικό να εμφανίζεται ηλεκτρικά ουδέτε-

ρο. Εάν ένα τέτοιο υλικό θερμανθεί σε υψηλές θερμοκρασίες (~300 0C) παρουσία ηλεκτρικού πεδίου, τότε τα

δίπολα απελευθερώνονται από τον αρχικό προσανατολισμό και επαναπροσανατολίζονται όλα σύμφωνα με το

ηλεκτρικό πεδίο. Ο νέος προσανατολισμός καθίσταται μόνιμος ύστερα από ψύξη σε χαμηλότερες θερμοκρα-

σίες (Σχήμα 3.2). Η συγκεκριμένη θερμοκρασία πέραν της οποίας ο αρχικός προσανατολισμός των δίπολων

χάνεται ονομάζεται θερμοκρασία Curie (Ballato, 1995).

Σχήμα 3.2 (α) Περιοχές με προσανατολισμένα δίπολα, (β) Νέος προσανατολισμός δίπολων σε ηλεκτρικό πεδίο.

(α) (β)

+ -

+

-

+-

+-

+-

+

-+ -

+-+

-

+-

+ -

+-

+ -+ -

+ -

+

- +

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-+

-

+

-

+

-

+

-

53

Μέσω μηχανικών πιέσεων ο προσανατολισμός των δίπολων μπορεί να μεταβάλλεται ελαφρώς επιτρέποντας

την εμφάνιση ηλεκτρικών φορτίων στις επιφάνειες του υλικού (Wayne, 2004). Αν εφαρμοσθεί εναλλασσόμε-

νη τάση στα άκρα ενός κρυστάλλου, τότε, ανάλογα με την πόλωση της τάσης, ο κρύσταλλος θα αλλάζει τις

διαστάσεις του (συμπίεση - διόγκωση). Αν η εφαρμοζόμενη τάση σταματήσει, τότε ο κρύσταλλος επανέρχε-

ται στις αρχικές του διαστάσεις (Σχήμα 3.3).

Σχήμα 3.3 (α) Διόγκωση ύστερα από εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης, (β) Κρύσταλλος σε συνθήκες ηρεμίας, (γ) Συμπίεση

ύστερα από εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης με αντίθετη πολικότητα.

(α)

(β)

(γ)

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-+

-+

-+

-+

-

+

-

+

-

+

-

+ -

+ -

+ -

+ -+ -

+ -+ -

+ -

+ -+ -

+ -+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-+-

+-

+-

+-

+-

+-

54

Η δόνηση των πιεζοηλεκτρικών υλικών έχει συνήθως δύο βασικές συνιστώσες. Υπάρχει μία δόνηση «ακτινι-

κή» και μία δόνηση «κατά πάχος» ή αξονική- (Σχήμα 3.4).

(α) (β)

ΑκτινικήΔόνηση

ΑξονικήΔόνηση

Σχήμα 3.4 Δόνηση πιεζοηλεκτρικού πλακιδίου: (α) Επιφάνεια πλακιδίου - ακτινική δόνηση, (β) Πάχος πλακιδίου - δόνηση

κατά πάχος ή αξονική.

Στα συστήματα ιατρικών απεικονίσεων χρησιμοποιούνται πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι που δονούνται μόνο

κατά πάχος. Πάντοτε όμως ακόμα και σε αυτές τις περιπτώσεις παρατηρείται μία ελαφρά ακτινική δόνηση, η

οποία είναι ανεπιθύμητη (Kossoff, 2004).

3.3. Συντονισμός Πιεζοηλεκτρικού Κρυστάλλου Εάν μία ημιτονοειδής τάση εφαρμοσθεί κατά μήκος ενός κρυστάλλου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.5, τότε

συνεχή ηχητικά κύματα της ίδιας συχνότητας με αυτή της εφαρμοζόμενης τάσης εκπέμπονται και από τις δύο

επιφάνειες (Fisch, 1992).

Σχήμα 3.5. Τα συνεχή ηχητικά κύματα που εκπέμπονται από την μπροστά και την πίσω πλευρά του κρυστάλλου λόγω του

ημιτονοειδούς ηλεκτρικού σήματος.

ΗμιτονοειδήςΤάση

Συνεχή ΗχητικάΚύματα

55

Έχει βρεθεί ότι το πλάτος της ταλάντωσης των επιφανειών του κρυστάλλου μεγιστοποιείται σε συγκεκριμένες

συχνότητες (Σχήμα 3.6) (Kossoff, 2004).

Σχήμα 3.6. Απεικόνιση του συντονισμού: (α) Ο κρύσταλλος και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κύματος. (β) Οι μετα-

τοπίσεις της επιφάνειας S1 που προκαλούν το κύμα μετατόπισης W1. (γ) Το ανακλώμενο κύμα W2. (δ) Το τελικό κύμα μετα-

τόπισης (W1 + W2). Ο κύκλος ΑΒ στη μετατόπιση W1 εμφανίζεται στο ανακλώμενο κύμα W2 μετά χρόνο τ. Εάν ο χρόνος

καθυστέρησης είναι ίσος με την περίοδο του ηχητικού κύματος, τότε ο κύκλος ΑΒ στο W2 συμπίπτει με τον επόμενο κύκλο

ΒΓ της αρχικής μετατόπισης W1 και τα κύματα συνεχώς συμβάλλουν θετικά για την παραγωγή της μέγιστης τελικής μετατό-

πισης W1 + W2.

Η ημιτονοειδής μετατόπιση της επιφάνειας S1 του κρυστάλλου (Σχήμα 3.6(α)) οδηγεί στην εκπομπή ενός κύ-

ματος μετατόπισης (W1) - (Σχήμα 3.6 (β)) (Fisch, 1992). Η μετατόπιση της ίδιας επιφάνειας προκαλεί και τη

γέννηση ενός κύματος (W2) που εκπέμπεται μέσα στον ίδιο τον κρύσταλλο, το οποίο μερικώς ανακλάται στην

επιφάνεια S2 και καταλήγει (Σχήμα 3.6 (γ)) στην επιφάνεια S1. Εάν το πάχος του κρυστάλλου (d) επιλέγεται

έτσι ώστε ο χρόνος μεταφοράς (τ) του κύματος από την S1 στην S2 και αντίστροφα (απόσταση = 2d) να είναι

+

Κρύσταλλος

Μετατόπιση

Χρόνος

Χρόνος

Χρόνος

d

(α)

(β)

(γ)

1S 2S

1W

2W

1W

2W

21 WW +

A B Γ

A B

Ασθενής

56

ίσος με την περίοδο της ταλάντωσης, τότε τα κύματα W1 και W2 βρίσκονται σε φάση, με αποτέλεσμα να πα-

ρουσιάζεται το φαινόμενο της ενισχυτικής συμβολής και να δημιουργείται το τελικό κύμα μετατόπισης, όπως

φαίνεται στο Σχήμα 3.6(δ). Ασφαλώς υπάρχουν και άλλες ανακλάσεις μέσα στον κρύσταλλο, οι οποίες οδη-

γούν σε επιπλέον αύξηση του κύματος μετατόπισης. Πρέπει να σημειωθεί ότι το ίδιο φαινόμενο συμβαίνει με

κύματα από την επιφάνεια S2.

Αφού τα κύματα ταξιδεύουν ένα μήκος κύματος σε μία περίοδο, ισχύει αυτή η σχέση:

2

λdλd2 1

1 == 1.1

Όπου λ1, το μήκος κύματος μέσα στο υλικό του κρυστάλλου

Η συχνότητα που συμβαίνει αυτό το φαινόμενο (συχνότητα συντονισμού fr) δίνεται από τον εξής τύπο:

d2

ccf 1

1

1r =

λ=

1.2

Όπου c1, η ταχύτητα διάδοσης του ηχητικού κύματος μέσα στο υλικό του κρυστάλλου

Εάν η συχνότητα αλλάξει, τότε τα κύματα W1 και W2 δεν θα βρίσκονται σε φάση και το πλάτος του τελικού

μεταδιδόμενου κύματος θα μειωθεί. Ο κρύσταλλος συντονίζεται στη συχνότητα fr. Η παραπάνω περιγραφή

του συντονισμού είναι ισοδύναμη είτε η δόνηση προκαλείται ηλεκτρικά είτε μηχανικά. Ο κρύσταλλος θα συ-

ντονίζεται στην ίδια συχνότητα είτε λειτουργεί σαν εκπομπός είτε σαν δέκτης ηχητικών κυμάτων. Από την

εξίσωση 3.2 μπορούμε να βγάλουμε το συμπέρασμα ότι η συχνότητα συντονισμού είναι ανάλογη της ταχύτη-

τας διάδοσης στο εσωτερικό του κρυστάλλου και αντιστρόφως ανάλογη του πάχους του (Middleton, 2004).

πάχος(d)

1f

Cf

r

κρυστάλλουr

∝

∝

1.3

3.4. Παλμική Λειτουργία Στους διαγνωστικούς υπερήχους η απεικόνιση επιτυγχάνεται μέσω της παραγωγής μικρών παλμών υπερήχων

αντί για συνεχή κύματα. Οι παλμοί αυτοί δημιουργούνται με την εφαρμογή μικρών παλμών τάσεως στα άκρα

ενός κρυστάλλου.

57

Σχήμα 3.7. Ταλάντωση πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου μετά από ηλεκτρική διέγερση.

Οι μικροί αυτοί παλμοί οδηγούν στην ταλάντωση του κρυστάλλου με τη συχνότητα συντονισμού. Θα πρέπει

να σημειωθεί ότι η μετατόπιση της επιφάνειας του κρυστάλλου αποτελεί ένα μικρό ποσοστό σε σχέση με το

πάχος του. Ο χρόνος που χρειάζεται για να αποσβεστεί η ταλάντωση (το μήκος του ηχητικού παλμού) καθο-

ρίζεται από το ποσοστό της απώλειας της ενέργειας κατά τη διάρκεια του μισού κύκλου της ταλάντωσης. Η

απώλεια ενέργειας οφείλεται στην εξασθένηση που πραγματοποιείται στο εσωτερικό του κρυστάλλου και στη

μεταφορά ενέργειας σε γειτονικές επιφάνειες που βρίσκονται σε επαφή με τον κρύσταλλο. Μπορούμε να ε-

λαττώσουμε το μήκος του παλμού αν εξασφαλίσουμε τη μέγιστη απώλεια ενέργειας στο πίσω μέρος του κρυ-

στάλλου με την προϋπόθεση ότι το έμπροσθεν μέρος είναι σε επαφή με το ανθρώπινο δέρμα. Γνωρίζοντας ότι

το ποσοστό ανάκλασης εξαρτάται από τη μεταβολή της ακουστικής εμπέδησης μεταξύ των δύο επιφανειών,

το ειδικό υλικό το οποίο θα τοποθετηθεί στην πίσω πλευρά του κρυστάλλου θα πρέπει να έχει παρόμοια α-

κουστική εμπέδηση με το υλικό του κρυστάλλου. Επίσης, θα πρέπει αυτό το υλικό να έχει υψηλή απορροφη-

τικότητα ώστε κάθε ηχητικό κύμα το οποίο εισέρχεται να μην επιστρέφει στον κρύσταλλο (Fisch, 1992).

Το ειδικό αυτό στρώμα ελαστικού-απορροφητικού υλικού (backing material) είναι εποξική ρητίνη με κόκ-

κους πλαστικού ή βολφραμίου (Σχήμα 3.8). Χρησιμεύει για να συντομεύει τη διάρκεια δόνησης του κρυ-

στάλλου – κατά τη φάση παραγωγής της υπερηχητικής δέσμης – ώστε να μπορέσει ο κρύσταλλος να δεχθεί

και να ανιχνεύσει άμεσα τις επιστρεφόμενες ανακλάσεις. Στην παλμική εκπομπή η διέγερση γίνεται με έναν

μικρό ηλεκτρικό παλμό. Ο κρύσταλλος εκπέμπει έναν παλμό ηχητικής ενέργειας. Επειδή οι δονήσεις του

κρυστάλλου συνεχίζονται και μετά την παύση του ηλεκτρικού παλμού, η χρονική διάρκεια του παλμού είναι

μεγαλύτερη. Η διάρκεια αυτή μειώνεται σημαντικά με τη χρησιμοποίηση αυτού του ειδικού υλικού που προ-

καλεί την απόσβεση των δονήσεων. Χωρίς τη χρήση απορροφητικού υλικού, ο χρόνος δόνησης ή διάδοσης

θα ήταν πιο μεγάλος από τον χρόνο και των πιο μακρινών ανακλάσεων (αυτών που έρχονται από τα πιο βαθιά

στρώματα μαλακών ιστών) παρεμποδίζοντας έτσι τη σωστή καταγραφή και επεξεργασία τους. Επίσης, το

backing material χρησιμεύει για την απορρόφηση των ηχητικών κυμάτων που επανακλώνται προς την κα-

τεύθυνση του κρυστάλλου. Το σφηνοειδές σχήμα του απορροφητικού υλικού εξασφαλίζει την παραγωγή

πολλαπλών ανακλάσεων στο εσωτερικό του αυξάνοντας την εξασθένηση των ηχητικών κυμάτων. Είναι προ-

φανές ότι ένα συνεχές ηχητικό κύμα δεν χρειάζεται το backing material (Middleton, 2004).

ΜετατόπισηΕπιφάνειας

Χρόνος t

V

58

Σχήμα 3.8. (a) Mεταβολή της πίεσης μετά τη διέγερση από ηλεκτρικό παλμό χωρίς backing material, (b) με backing mate-

rial.

3.5. Προσαρμογή Ακουστικής Εμπέδησης Η ακουστική εμπέδηση των ΡΖΤ είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν των μαλακών ιστών. Κατά συνέπεια η

ηχητική ενέργεια που εκπέμπεται από τον κρύσταλλο δεν διεισδύει στους μαλακούς ιστούς λόγω έντονης α-

νάκλασης στη διαχωριστική επιφάνεια ΡΖΤ – Ιστού. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να περιορισθεί με τις λεγόμε-

νες τεχνικές προσαρμογής εμπέδησης (impedance matching). Μία τέτοια μέθοδος είναι η προσαρμογή τέ-

ταρτου κύματος (quarter wave matching) (Σχήμα 3.9). Μπροστά στην επιφάνεια εκπομπής τοποθετείται μία

επίστρωση από κατάλληλο υλικό που εμποδίζει την έντονη ανάκλαση. Η επίστρωση αυτή ονομάζεται επί-

στρωση προσαρμογής (matching layer). Βασικά χαρακτηριστικά της είναι ότι το πάχος πρέπει να είναι το 1/4

του μήκους κύματος που αντιστοιχεί στην ονομαστική συχνότητα και ότι η ακουστική της εμπέδηση πρέπει

να είναι ίση με τη γεωμετρική μέση τιμή της εμπέδησης του κρυστάλλου και της εμπέδησης των ιστών. Ένα

ποσοστό της ηχητικού παλμού πίεσης περνά από το matching layer προς τον ιστό και ανακλάται προς τα

πίσω στον κρύσταλλο (αριθμός ανάκλασης (1)). Στις διαχωριστικές επιφάνειες όπου υπάρχει πτώση στην

ακουστική εμπέδηση υπάρχει μια αντιστροφή φάσης κατά τη διάρκεια της ανάκλασης και αφού Ζt < Ζm, υ-

πάρχει μια αντιστροφή φάσης σε αυτήν την ανάκλαση. Ένα ποσοστό αυτού του παλμού ανακλάται ξανά στη

διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ του κρυστάλλου και του matching layer (ανάκλαση (2)) και αυτό το διπλά

ανακλώμενο κύμα περνά στον ιστό. Αφού η Ζχ > Ζμ, δεν υπάρχει αντιστροφή φάσης κατά την ανάκλαση (2).

Ο διπλά ανακλώμενος παλμός έχει ταξιδέψει το μισό του μήκους κύματος (2 μεταφορές του 1/4 του μήκους

κύματος) και έχει αντίστροφη πολικότητα (Fisch, 1992).

BackingMaterial

Κρύσταλλος

(α)

(β)

Κρύσταλλος

59

Σχήμα 3.9. Προσαρμογή Τετάρτου Κύματος.

Όταν o καταρχήν εκπεμπόμενος παλμός και ο διπλά ανακλώμενος παλμός προστεθούν, έχουμε ενισχυτική

συμβολή και αύξηση του πλάτους της έντασης – πίεσης του παλμού. Έχουμε πολλαπλές ανακλάσεις στο εσω-

τερικό του matching layer οι οποίες συμβάλλουν ενισχυτικά στον αρχικό παλμό. Έχει βρεθεί ότι η μεγιστο-

ποίηση του παλμού επιτυγχάνεται όταν

txm ZZZ ⋅= 1.4

Τα σύγχρονα υπερηχογραφικά συστήματα παράγουν ηχητικά κύματα τα οποία εμπεριέχουν ένα εύρος συχνο-

τήτων. Η ύπαρξη πολλών συχνοτήτων καθιστά δύσκολη την κατασκευή του βέλτιστου υλικού για την επί-

στρωση προσαρμογής. Μία επιπλέον αύξηση στη μεταφορά ακουστικής ενέργειας από τον κρύσταλλο προς

τον ασθενή μπορεί να επιτευχθεί με την κατασκευή πολλαπλών επιστρώσεων προσαρμογής (Σχήμα 3.10). Το

μείγμα αυτό έχει τις διάφορες επιστρώσεις με κωνική μορφή με απώτερο σκοπό την ομαλή μετάβαση της α-

κουστικής ενέργειας από την επιφάνεια του κρυστάλλου (Smith, 1994). Η προσαρμογή εμπέδησης ενισχύει

τη μεταφορά ενέργειας και μειώνει τη χρονική διάρκεια του παλμού, το οποίο συνεπάγεται επιπρόσθετες συ-

νιστώσες συχνοτήτων διευρύνοντας το φάσμα των εκπεμπόμενων συχνοτήτων (Miele, 2006).

+

Επίστρωση ΠροσαρμογήςΜέσης Τιμής Ζ

ΚρύσταλλοςΥψηλού Ζ

ΙστόςΧαμηλού Ζ

mZxZ tZ

1

2

Ρ

Ρ

Ρ

4

λ

t

t

t

60

Σχήμα 3.10. (α) Μονή επίστρωση προσαρμογής, (β) Πολλαπλή επίστρωση προσαρμογής, (γ) Μεταβολή του φάσματος εκ-

πομπής λόγω της προσαρμογής εμπέδησης.

3.6. Δομικό Διάγραμμα Ηχοβολέα Ένα απλό δομικό διάγραμμα των βασικών συνιστωσών ενός ηχοβολέα απεικονίζεται στο σχήμα 3.11.

Σχήμα 3.11. Δομικό διάγραμμα μονοκρυσταλλικού ηχοβολέα.

(α)

(β)

(γ)

Κρύσταλλος

Κρύσταλλος

Μονή ΕπίστρωσηΠροσαρμογής

Πολλαπλή ΕπίστρωσηΠροσαρμογής

Χωρίς ΕπίστρωσηΠροσαρμογής

Μονή ΕπίστρωσηΠροσαρμογής

Πολλαπλή ΕπίστρωσηΠροσαρμογής

Κρύσταλλος

Επίστρωση Προσαρμογής

Απορροφητικό Υλικό

Προστατευτικό Υλικό

Καλώδια ΗχωμονωτικόΥλικό

61

Απορροφητικό υλικό (Backing Material): μειώνει το χωρικό μήκος παλμού βελτιώνοντας τη διακριτική

ικανότητα του συστήματος.

Καλώδια: Εκπομπή: μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στον κρύσταλλο, Λήψη: μεταφέρει την ηλεκτρική

ενέργεια – φορτίο που δημιουργείται λόγω της πρόσπτωσης των ανακλώμενων ηχητικών κυμάτων στον κρύ-

σταλλο.

Πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος PZT: μετατρέπει την ακουστική ενέργεια σε ηλεκτρική και αντίστροφα. Η

πρόσθια και η οπίσθια πλευρά του κρυστάλλου είναι καλυμμένες με ένα λεπτό στρώμα συνδετικού υλικού,

προκειμένου να εξασφαλισθεί η καλή επαφή με τα δύο ηλεκτρόδια που θα δημιουργήσουν τη διαφορά δυνα-

μικού για να ταλαντωθεί ο κρύσταλλος. Οι επιφάνειες του κρυστάλλου καλύπτονται με δύο χρυσά ή ασημέ-

νια ηλεκτρόδια.

Επίστρωση Προσαρμογής εμπέδησης: ελαχιστοποιεί την απώλεια ακουστικής ενέργειας λόγω διαφοράς

ακουστικής εμπέδησης μεταξύ του πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου και του ανθρώπινου δέρματος.

Προστατευτικό Υλικό: παρέχει τη δομική και υδροστεγή προστασία στην έμπροσθεν επιφάνεια του ηχοβο-

λέα. Είναι κατασκευασμένο από ηχοδιαπερατό υλικό (μεμβράνη). Η επιλογή της μεμβράνης είναι σημαντική

όσο αφορά την ποιότητα της διαγνωστικής εικόνας. Οι κατασκευάστριες εταιρίες χρησιμοποιούν μεμβράνες

με φυσικές ιδιότητες παρεμφερείς με αυτές των ιστών. Ο κάθε ηχοβολέας έχει και ένα προστατευτικό κέλυ-

φος για την αποφυγή εισαγωγής υγρασίας καθώς και την πιθανότητα βλάβης. Επίσης υπάρχουν ειδικοί ακου-

στικοί και ηλεκτρικοί απομονωτές για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας της ηχοβόλου κεφαλής. Στα σύγ-

χρονα υπερηχογραφικά συστήματα οι ηχοβόλες κεφαλές έχουν σειρές κρυστάλλων για την καλύτερη απεικο-

νιστική διαδικασία. Οι σύγχρονοι αυτοί ηχοβολείς θα αναλυθούν εκτενώς σε παρακάτω ενότητες (Wells,

1977).

3.7. Ηχητικό Πεδίο Ο όρος ηχητικό πεδίο χρησιμοποιείται για να περιγραφεί η κατανομή της ηχητικής ενέργειας στον χώρο. Ε-

πειδή η εκπομπή της αποκτά συγκεκριμένο προσανατολισμό χρησιμοποιείται και ο όρος ηχητική δέσμη. Η

μορφή της ηχητικής δέσμης καθορίζεται από τα φαινόμενα της συμβολής και της αρχής του Huygen’s. Η αρ-

χή του Huygen’s υποδηλώνει ότι κάθε σημείο κατά μήκος ενός μετώπου κύματος είναι από μόνο του μία ση-

μειακή πηγή η οποία εκπέμπει ένα κυκλικό κύμα. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα ότι η κίνηση των κυ-

μάτων σε κάθε ένα σημείο στο ηχητικό πεδίο μπορεί να υπολογισθεί αθροίζοντας τα κυκλικά μικροκυματίδια

από όλα τα σημεία σε ένα συγκεκριμένο μέτωπο κύματος. Το ηχητικό πεδίο του σχήματος 3.12 μπορεί να

υπολογισθεί μέσω της άθροισης των επιμέρους κυμάτων σε κάθε σημείο του πεδίου κάθετα στο άνοιγμα

(Fisch, 1992).

Σχήμα 3.12. Σ

Στα σημεία

συνεχισθεί, τ

πεδα για μία

απόκλιση τη

των τα οποία

Σχήμα 3.13.

Το σημείο σ

μήκους του

η κύρτωση τ

θα συμβεί κ

Συμβολή μετα

όπου τα μέτ

τότε το ηχητ

α μικρή απόσ

ης ηχητικής

α είναι κεντρ

Τα μέτωπα κύ

στο οποίο η

ανοίγματος π

της ηχητικής

και όταν η ηχ

αξύ των Huyge

ωπα των μικ

τικό πεδίο πα

σταση από το

δέσμης. Τα

ραρισμένα στ

ύματος και η ηχ

δέσμη αρχίζ

προς το μήκ

ς δέσμης στη

χητική δέσμη

en’s μικροκυμ

κροκυματιδίω

αίρνει τη μορ

ο άνοιγμα κα

μέτωπα σε α

το άνοιγμα.

χητική δέσμη

ζει να αποκλ

ος κύματος τ

η γεωμετρική

η συναντήσε

ατιδίων από δ

ων συμπίπτου

ρφή του σχήμ

αι στη συνέχε

αυτό το σημε

από ένα μικρό

λίνει και το π

του ηχητικού

ή σκιά του αν

ει μία δομή μ

δύο σημεία σε

υν έχουμε εν

ματος 3.13. Τ

εια αποκτούν

είο προσεγγί

ό άνοιγμα.

ποσοστό από

ύ παλμού. Έν

νοίγματος κα

με μέγεθος μ

ένα μικρό άνο

νισχυτική συ

Τα μέτωπα κ

ν μια κυρτότ

ίζουν τμήμα

όκλισης εξαρ

να ακόμη ση

αλείται περίθ

μικρότερο απ

οιγμα.

υμβολή. Αν τ

κύματος παρ

τητα, η οποία

ατα των σφαι

ρτώνται από

ημαντικό σημ

θλαση. Το ίδι

πό το μήκος

62

το φαινόμενο

ραμένουν επί

α οδηγεί στην

ιρικών κυμά

ό κλάσμα του

μείο είναι ότ

ιο φαινόμενο

κύματος της

2

ο

ί-

ν

-

υ

τι

ο

ς

63

δέσμης. Σε αυτήν την περίπτωση η κύρτωση θα δημιουργηθεί στην αντίθετη πλευρά από τη γεωμετρική σκιά

της δομής. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ένταση κατά μήκος της δέσμης του σχήματος 3.13 παραμένει στα-

θερή.

Όσο ο λόγος της ακτίνας προς το μήκος κύματος αυξάνεται, η απόσταση του σημείου στο οποίο η δέσμη θα

αρχίσει να αποκλίνει από τον κρύσταλλο αυξάνει, και ο βαθμός της απόκλισης μικραίνει. Υπολογίζοντας το

άθροισμα των μικροκυμάτων Huygen’s που προέρχονται από όλα τα σημεία της επιφάνειας μίας πηγής, μπο-

ρούμε να υπολογίσουμε τη διακύμανση της πίεσης και της έντασης της ηχητικής δέσμης (Σχήμα 3.14). Το

μεγαλύτερο μέρος της ισχύος περιέχεται μέσα στην επιφάνεια (κυλινδρικής μορφής στην κοντινή ζώνη και

κωνικής μορφής στη μακρινή ζώνη) κατά μήκος της ηχητικής δέσμης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.14(α).

Σχήμα 3.14 (α) Το διαμήκες τμήμα κατά μήκος της ακτίνας της επιφάνειας περιέχει τη μεγαλύτερη ισχύ της ηχητικής δέ-

σμης από μία πηγή ακτίνας - α - (β) Η διακύμανση της έντασης κατά μήκος της ακτίνας της δέσμης.

Τα μέτωπα κύματος είναι κατά προσέγγιση επίπεδα, άρα η δέσμη είναι συγκλίνουσα μέχρι ενός σημείου το

οποίο καθορίζεται από τη διάμετρο και το μήκος κύματος της πηγής. Το σημείο στο οποίο η δέσμη αρχίζει να

αποκλίνει ορίζεται ως η φυσική εστίαση του κρυστάλλου. Από εκείνο το σημείο η δέσμη αρχίζει να αποκλίνει

κατά μία γωνία η οποία καθορίζεται από τον λόγο της διαμέτρου της πηγής προς το μήκος κύματος. Η γωνία

απόκλισης δίνεται από την κάτωθι εξίσωση (Fisch, 1992):

αλ⋅=θημ 6.0

)( 1.5

Εάν σχεδιάσουμε την ένταση κατά μήκος της ηχητικής δέσμης συναρτήσει της απόστασης, τότε θα βρούμε

ένα μεγάλο εύρος διακύμανσης της έντασης μέσα στο συγκλίνον τμήμα της δέσμης (κοντινή ζώνη – ζώνη

Fresnel) και μία βαθμιαία μείωση της έντασης στο αποκλίνον τμήμα της δέσμης (μακρινή ζώνη – ζώνη

Fraunhofer). Η θέση του τελευταίου μεγίστου της έντασης συμπίπτει με τη θέση στην οποία η δέσμη αρχίζει

να αποκλίνει, ενώ η απόστασή της από τον κρύσταλλο συχνά είναι γνωστή ως το τελευταίο αξονικό μέγιστο.

Αυτή η απόσταση (Near Zone Length) είναι η εξής:

Άξονας

αλ=θημ 6.0)(

θ

2α

α2

λα=

2

NZL

NZL2 ⋅

64

λα=

2

NZL 1.6

Η ένταση μηδενίζεται μόνο στη ζώνη Fresnel για έναν κρύσταλλο με τη μορφή τέλειου δίσκου με μία ομοιό-

μορφη ταχύτητα διάδοσης στην επιφάνειά του. Στην πράξη, ακόμα και με πηγές υπό τη μορφή δίσκων, μικρές

ανομοιογένειες στο εσωτερικό τους, διάφορες μεταβολές στο ειδικό απορροφητικό υλικό που προκαλεί από-

σβεση των δονήσεων (backing material) που υπάρχει στην επιφάνεια του κρυστάλλου, καθώς και οι επαφές

των καλωδίων στα ηλεκτρόδια, μπορούν να προκαλέσουν ανομοιογένειες στην επιφανειακή ταχύτητα με α-

ποτέλεσμα οι διακυμάνσεις κατά μήκος της ακτίνας της δέσμης καθώς και στα άλλα σημεία της να μην είναι

τόσο έντονες. Η μορφή της δέσμης από τετραγωνικούς κρυστάλλους είναι ποιοτικά η ίδια.

3.8. Πλευρικοί Λοβοί Ακόμα και εάν η επιφάνεια του σχήματος 3.14 περιέχει το μεγαλύτερο μέρος της έντασης, υπάρχει συχνά συ-

γκεκριμένη ποσότητα ενέργειας έξω από αυτήν την επιφάνεια. Η διακύμανση της έντασης, συγκεκριμένα στη

μακρινή ζώνη, είναι συνήθως όπως στο Σχήμα 3.15.

Σχήμα 3.15. Η ένταση της δέσμης σχεδιασμένη σε πολικές συντεταγμένες.

Μπορεί να δει κανείς ότι το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος της δέσμης περιέχεται στον κεντρικό λοβό η επέ-

κταση του οποίου αντιστοιχεί στην επιφάνεια του σχήματος 3.15. Όμως υπάρχουν μικρότεροι πλευρικοί και

grating λοβοί, οι οποίοι παρουσιάζονται έξω από αυτήν την επιφάνεια.

Οι πλευρικοί λοβοί δημιουργούνται από τις κατά πλάτος και μήκος ταλαντώσεις (η ηχητική δέσμη παράγεται

από την κατά πάχος ταλάντωση του κρυστάλλου) καθώς και από φαινόμενα αντήχησης και συμβολής μεταξύ

των επιφανειών των γειτονικών κρυστάλλων. Συνήθως η έντασή τους είναι αρκετά μικρότερη από το κυρίως

τμήμα της δέσμης. Αυξάνοντας τον αριθμό των ενεργών κρυστάλλων σε έναν ηχοβολέα μειώνεται η ένταση

των πλευρικών λοβών.

ΚέντροΚρυστάλλου

Πλευρικοί Λοβοί

Κύριος Λοβός

Άξονας Δέσμης

65

Οι grating λοβοί δημιουργούνται λόγω της απόστασης μεταξύ των διαδοχικών κρυστάλλων σε έναν ηχοβολέ-

α. Οι λοβοί αυτοί ταξιδεύουν υπό γωνία σε σχέση με την κεντρική δέσμη. Η γωνία αυτή δίδεται από την πα-

ρακάτω εξίσωση:

x

λm)sin(

⋅=θ (3.7)

Όπου θ, η γωνία των grating λοβών από τον κεντρικό άξονα της δέσμης και m, η τάξη των λοβών από το κέ-

ντρο και στα άκρα (1,2,3…) λ, το μήκος κύματος και x, η απόσταση από κέντρο σε κέντρο δύο παρακείμενων

κρυστάλλων (Fisch, 1992).

Η εξίσωση 3.7 υποδηλώνει ότι για την τροποποίηση των λοβών θα πρέπει να μεταβληθεί η απόσταση μεταξύ

των γειτονικών κρυστάλλων. Αν η απόσταση μειωθεί αρκετά, οι λοβοί μειώνονται ανάλογα.

Οι πλευρικοί και οι grating λοβοί μπορούν να προκαλέσουν πλαστές ενδείξεις στην εικόνα του υπέρηχου λό-

γω υπολογισμού ανακλάσεων εκτός της κεντρικής δέσμης και λαμβάνονται μέτρα για τον περιορισμό αυτών

των ψευδενδείξεων.

3.9. Μορφή Παλμικής Δέσμης Η μορφή της δέσμης καθώς και η εστίαση, χρησιμοποιώντας παλμικούς υπέρηχους, είναι λίγο διαφορετικές

από την αντίστοιχη των συνεχών. Γενικά η μεταβολή στην ένταση και στους πλευρικούς λοβούς, συγκεκριμέ-

να στην «κοντινή» και στη «μακρινή» ζώνη, θα μειωθεί όταν το μήκος του παλμού γίνει μικρότερο. Η αιτία

που συμβαίνει αυτό είναι ότι όταν οι παλμοί έχουν ένα εύρος ζώνης, που σημαίνει ότι μπορούν να χαρακτη-

ριστούν ως το άθροισμα συνεχών κυμάτων ενός εύρους συχνοτήτων, οι μέγιστες και ελάχιστες συμβολές που

προκύπτουν από κάθε συνιστώσα της συχνότητας είναι σε διαφορετικές θέσεις της ηχητικής δέσμης και όταν

προστεθούν, τείνουν να εξομαλύνουν τις διακυμάνσεις. Επιπρόσθετα, η θέση, το εύρος και το μήκος της ε-

στιακής ζώνης εξαρτώνται από το μήκος κύματος και θα διαφέρουν για κάθε συνιστώσα της συχνότητας, άρα

θα είναι διαφορετικά σαν σύνολο συγκριτικά με ένα συνεχές κύμα για την ίδια ονομαστική συχνότητα (Miele,

2006).

3.10. Μορφή της Δέσμης κατά τη Λήψη Ο κρύσταλλος χρησιμοποιείται και σαν δέκτης των ανακλώμενων και των οπισθοσκεδαζόμενων κυμάτων και

πρέπει να γνωρίζουμε τη διακύμανση της ευαισθησίας και τη μορφή της επιστρεφόμενης δέσμης. Παίρνοντας

υπόψη τη συνολική συμβολή στην επιφάνεια του κρυστάλλου των κυμάτων που προέρχονται από όλα τα ση-

μεία του ηχητικού πεδίου, είναι δυνατόν να δείξουμε ότι η διακύμανση της ευαισθησίας της επιστρεφόμενης

δέσμης έχει την ίδια μορφή με τη διακύμανση της πίεσης του ηχητικού πεδίου του κρυστάλλου, όταν αυτός

λειτουργεί σαν εκπομπός ηχητικής δέσμης. Η ολική ευαισθησία δίνεται ως το γινόμενο της εκπεμπόμενης

πίεσης και της ευαισθησίας της επιστρεφόμενης δέσμης και κατά συνέπεια είναι ανάλογη του τετραγώνου της

εκπεμπόμενης πίεσης για έναν απλό κρύσταλλο που χρησιμοποιείται σαν εκπομπός και σαν δέκτης. Πρέπει

να σημειωθεί ότι η ανακλώμενη δέσμη είναι πιο στενή από την εκπεμπόμενη (Fisch, 1992).

66

3.11. Βασικές Έννοιες Ένας κρύσταλλος έχει τη δυνατότητα να μετατρέπει μία μορφή ενέργειας σε μία άλλη

Ένας πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική και το αντίστρο-

φο

Η διαδικασία της πόλωσης ενισχύει τα πιεζοηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κρυστάλλου

Ο κρύσταλλος που χρησιμοποιείται στα υπερηχογραφικά συστήματα είναι ο τιτανιούχος ζιρκονιούχος

μόλυβδος (ΡΖΤ)

Οι σύγχρονοι ηχοβολείς χρησιμοποιούν σύνθετα υλικά για να βελτιώσουν την αποδοτικότητα των

κρυστάλλων

Το ηχητικό πεδίο χωρίζεται στο «κοντινό – Fresnel» και στο «μακρινό – Fraunhofer» πεδίο

Οι ηχοβολείς μπορούν να λειτουργούν είτε με συνεχή είτε με παλμικό τρόπο. Στον συνεχή τρόπο η

συχνότητα εκπομπής καθορίζεται από τη συχνότητα οδήγησης του κρυστάλλου. Στην παλμική λει-

τουργία η συχνότητα λειτουργίας καθορίζεται από την ταχύτητα διάδοσης και το πάχος του κρυστάλ-

λου

Το μήκος της «κοντινής» ζώνης εξαρτάται από τη διάμετρο του κρυστάλλου και το μήκος κύματος

της δέσμης

Η πραγματική μορφή του ηχητικού πεδίου στην «κοντινή» ζώνη είναι αρκετά πολύπλοκη

Η δέσμη αποκλίνει στη «μακρινή» ζώνη

Ένα ευρύτερο άνοιγμα έμπροσθεν του ηχοβολέα (ανοιχτή ή ενεργή περιοχή) δημιουργεί ένα μικρότε-

ρο φάσμα συχνοτήτων στη «μακρινή» ζώνη

67

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Ballato, A. (1995). Piezoelectricity, old effect, new thrust. IEEE Trans Ultrasonic Ferroelectr Freq Control, 45, 916-926.

Fisch, P. (1992). Diagnostic Medical Ultrasound. West Sussex: Wiley.

Kossoff, G. (2004). Basic physics and imaging characteristics of ultrasound. World J Surg, 134-42.

Middleton, W.K.A. (2004). Practical physics. In: Ultrasound, the Requisites, 2nd ed. St Luis: MO: Mosby.

Miele, F.R. (2006). Ultrasound Physics and Instrumentation, 4th Edition. Pegasus Lectures.

Smith, R.G. (1994). Multilayer Piezoelectric Ceramics for Two-Dimensional Transducers. IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 41(5).

Szabo, T. (2004). Diagnostic Ultrasound Imaging Inside Out. Amsterdam: Elsevier.

Wayne, R. & Hedrick, D.L. (2004). Ultrasound Physics and Instrumentation. Elsevier Mosby.

Wells, P. (1977). Biomedical Ultrasonics. London: Academic Press.