Ultralydtransduseren og piezoelektriske krystaller
Ultralydtransduseren genererer ultralydbølger (ultrasoniske bølger). Transduseren holdes med én hånd, og dens posisjon og vinkel justeres for å sende ultralydbølger gjennom strukturer som skal visualiseres.
Ultralydbølgene sendes raskt ut fra transduseren. Disse lydbølgene beveger seg gjennom vev og væsker. Noen av lydbølgene reflekteres tilbake til transduseren. Ved å analysere de reflekterte lydbølgene skaper ultralydmaskinen et bilde av vevet. Prinsippet for ultralydavbildning er derfor enkelt: Lydbølger sendes inn i vevet, og de reflekterte bølgene brukes til å skape et bilde av vevet (figur 1).
Piezoelektriske krystaller
Ultralydbølgene genereres av keramiske krystaller med piezoelektriske egenskaper (dvs. piezoelektriske krystaller). Tusenvis av piezoelektriske krystaller er festet på forsiden av transduseren (figur 2). Krystallene er koblet til ultralydmaskinen via elektroder.
Piezoelektriske krystaller har unike elektromekaniske egenskaper. Når en piezoelektrisk krystall tilføres elektrisk strøm, begynner den å vibrere, og disse vibrasjonene genererer lydbølger med frekvenser mellom 1,5 og 8 MHz (dvs. ultralyd). Piezoelektriske krystaller kan altså omdanne elektrisk strøm til ultralydbølger. Krystallene kan også gjøre det motsatte; når krystallene treffes av reflekterte ultralydbølger, begynner de å vibrere, og disse mekaniske vibrasjonene omdannes til elektrisk strøm som sendes tilbake til ultralydmaskinen, der det elektriske signalet tolkes og omsettes til et bilde (figur 3).
Som det fremgår av figur 2, inneholder ultralydtransduseren flere komponenter. Transduseren inneholder akustisk isolasjon som sørger for at ingen andre lydbølger påvirker transduseren. Krystallene er støttet av et baklag som demper vibrasjonene i krystallene, slik at lydbølgene kan sendes ut i kortere pulser, noe som gir bedre oppløsning (omtalt nedenfor). Foran krystallene er det materialer (matchende lag) som reduserer forskjellen i impedans mellom krystallene og vevet som skal studeres. Uten dette laget blir impedansforskjellen stor, noe som fører til at en for stor del av lydbølgene reflekteres (slik at færre lydbølger trenger gjennom vevet). Foran på transduseren sitter en akustisk linse. Dette er den harde gummien som fokuserer ultralydbølgene, noe som resulterer i mindre spredning av bølgene og dermed øker oppløsningen på bildet.
Fra transduseren sendes ultralydbølgene ut i pulser. Hver puls består av noen få lydbølger som sendes ut i løpet av 1 til 2 millisekunder. Disse lydbølgene beveger seg gjennom huden, brystkassen, hjerteposen, hjertemuskelen osv. I overgangen mellom hvert medium (vev, blod osv.) vil en betydelig del av alle lydbølgene reflekteres tilbake til transduseren. Når den reflekterte lyden treffer de piezoelektriske krystallene, begynner de å vibrere og generere elektriske strømmer, som overføres til ultralydapparatet for analyse.
De reflekterte lydbølgene vil ha samme hastighet som de utsendte lydbølgene, men amplitude, frekvensen og innfallsvinkelen kan avvike fra de utsendte lydbølgene. Ultralydmaskinen utnytter variasjoner i amplituden, frekvensen og tidspunktet for de reflekterte lydbølgene til å skape et bilde av mediet (vevet).