Ultralydtransduseren

Leksjon Progress

0% Complete

Ultralydtransduseren og piezoelektriske krystaller

Ultralydtransduseren (proben) er hjertet i ethvert ekkokardiografisk system, da den fungerer som både sender og mottaker av ultralydbølger (ultrasoniske bølger). Transduseren omdanner elektrisk energi til akustisk energi (lydbølger) og vice versa. Under undersøkelsen holdes transduseren med én hånd, og dens posisjon, rotasjon og vinkel justeres dynamisk for å sende ultralydbølger gjennom de kardiale strukturene som skal visualiseres. For å oppnå optimale bilder må operatøren ha inngående kjennskap til hvordan lydbølgene interagerer med vevet og hvordan transduseren best posisjoneres i forhold til hjertets akser (akustiske vinduer).

Ultralydbølgene sendes ut fra transduseren i korte pulser. Disse lydbølgene forplanter seg gjennom vev og væsker med en gjennomsnittshastighet på 1540 m/s i bløtvev. I overgangene mellom ulike vevstyper (f.eks. mellom blod og endokard) vil endringer i akustisk impedans føre til at noen av lydbølgene reflekteres tilbake til transduseren, mens resten fortsetter dypere inn i vevet. Dette er det grunnleggende puls-ekko-prinsippet: Lydbølger sendes inn i kroppen, og de reflekterte signalenes styrke og tidspunktet for retur brukes til å beregne avstand og skape et todimensjonalt bilde av hjertets anatomi (figur 1).

Figur 1. Prinsippet for ultralydavbildning og ekkokardiografi.

Piezoelektriske krystaller

Selve kjernen i ultralydproduksjonen er keramiske krystaller med piezoelektriske egenskaper (dvs. piezoelektriske krystaller). Det mest brukte materialet i moderne medisinske transdusere er syntetisk keramikk, oftest blykirkonattitanat (PZT). Tusenvis av slike piezoelektriske krystaller (elementer) er montert på forsiden av transduseren i et spesifikt mønster (figur 2). Krystallene er individuelt koblet til ultralydmaskinen via elektroder, noe som tillater presis styring av hver enkelt krystall.

Det er klinisk relevant å merke seg at PZT-krystaller mister sine piezoelektriske egenskaper hvis de utsettes for temperaturer over Curie-punktet (ca. 300–400 °C). Dette er årsaken til at ultralydprober aldri kan steriliseres ved autoklavering (varmebehandling), men må renses med godkjente desinfeksjonsmidler eller gass.

Figur 2. Ultralydtransduseren og de piezoelektriske krystallene som genererer og mottar ultralydbølger.

Piezoelektriske krystaller har unike elektromekaniske egenskaper som muliggjør toveis konvertering av energi:

Den piezoelektriske effekten (mottak): Når krystallene treffes av reflekterte ultralydbølger (mekanisk trykk), komprimeres og ekspanderes krystallstrukturen. Denne deformasjonen genererer en liten elektrisk spenning. Dette signalet sendes tilbake til ultralydmaskinen, hvor det forsterkes, prosesseres og omsettes til et piksel på skjermen (figur 3).
Den omvendte piezoelektriske effekten (sending): Når en elektrisk spenning påføres krystallen, endrer den form (vibrerer). Disse vibrasjonene forplanter seg til vevet som lydbølger. I kardiologi benyttes frekvenser typisk mellom 1,5 og 8 MHz (ultralyd).

Figur 3. Piezoelektriske krystaller illustrert ved sending (omvendt piezoelektrisk effekt) og mottak (piezoelektrisk effekt).

Transduserens oppbygning og komponenter

Som det fremgår av figur 2, er ultralydtransduseren et komplekst instrument som inneholder mer enn bare krystallene. For å sikre optimal bildekvalitet, består proben av flere spesialiserte lag:

Akustisk isolasjon: Skjermer krystallene mot ekstern elektrisk støy og uønskede lydbølger fra sidene.
Baklag (Backing material): Dette materialet, som ofte består av epoxyharpiks blandet med wolframpulver, er festet på baksiden av krystallene. Baklagets funksjon er å dempe krystallenes vibrasjon umiddelbart etter at en elektrisk puls er sendt. Dette begrenser «ringetiden» (antall svingninger per puls) og gir kortere pulslengde. Korte pulser er avgjørende for god aksial oppløsning (evnen til å skille strukturer som ligger langs strålens retning). Uten et effektivt baklag ville krystallene fortsette å vibrere lenge (høy Q-faktor), noe som ville gi et «grøtete» bilde.
Tilpasningslag (Matching layer): Dette laget ligger foran krystallene og har en akustisk impedans som ligger mellom krystallenes (som er svært høy) og vevets (som er lav). Dette reduserer den enorme forskjellen i impedans som ellers ville ført til at nesten all lydenergien ble reflektert tilbake til proben rett ved hudoverflaten. Tilpasningslaget fungerer som en «bro» som maksimerer energioverføringen inn i pasienten.
Akustisk linse: Foran på transduseren sitter en akustisk linse, ofte laget av gummi eller plast. Denne fokuserer ultralydbølgene i elevasjonsplanet (skivetykkelsen), noe som bidrar til å definere bildeplanet og redusere artefakter fra strukturer utenfor fokusområdet.

I tillegg til de interne komponentene er bruken av ultralydgel helt kritisk. Luft har ekstremt lav akustisk impedans og blokkerer ultralydbølger effektivt. Gelen fungerer derfor som det siste tilpasningslaget som eliminerer luften mellom transduseren og huden.

Phased Array-teknologi i kardiologi

Innen kardiologi benyttes nesten utelukkende phased array-transdusere (fasearrangerte transdusere). Hjertet ligger bak ribbeina, noe som gir små akustiske vinduer. En phased array-probe har et lite fotavtrykk (liten overflate), som gjør at den kan plasseres i interkostalrommene.

I motsetning til lineære prober, styres lydstrålen i en phased array-probe elektronisk. Ved å aktivere krystallene med mikroskopiske tidsforsinkelser (nanosekunder), kan ultralydmaskinen styre og fokusere lydstrålen uten å bevege proben mekanisk. Dette gjør det mulig å «feie» strålen over en sektor (vifteform) og skape et sanntidsbilde av hjertet med høy bildefrekvens (frame rate).

Forholdet mellom frekvens og oppløsning

Krystallenes tykkelse bestemmer transduserens grunnfrekvens (resonansfrekvens). Tynne krystaller vibrerer raskere og genererer høyfrekvent lyd, mens tykkere krystaller genererer lavere frekvenser. Valg av frekvens innebærer alltid et kompromiss:

Høy frekvens (f.eks. 5–8 MHz): Gir kortere bølgelengde og dermed bedre romlig oppløsning (detaljrikdom). Ulempen er at høyfrekvent lyd dempes (attenueres) raskt i vev, noe som gir dårlig penetrasjon.
Lav frekvens (f.eks. 1,5–3,5 MHz): Gir lengre bølgelengde og dermed dårligere oppløsning, men lyden trenger dypere inn i vevet. Dette er nødvendig for å avbilde dype strukturer eller hos overvektige pasienter.

Moderne prober er bredbåndede (broadband), noe som betyr at de kan sende og motta over et bredt spekter av frekvenser. Dette muliggjør også harmonisk avbildning (tissue harmonic imaging), hvor man sender ut en grunnfrekvens (f.eks. 1,7 MHz) men lytter etter overtoner (f.eks. 3,4 MHz), noe som gir betydelig bedre bildekvalitet og færre artefakter.

Fra transduseren sendes ultralydbølgene ut i pulser. I diagnostisk ultralyd sendes lydbølger ut kun en brøkdel av tiden (ca. 0,1 % av tiden), mens transduseren lytter etter ekko resten av tiden (99,9 %). Hver puls består av noen få lydbølger som sendes ut i løpet av 1 til 2 mikrosekunder (ikke millisekunder, som ville gitt for lang pulslengde). Disse lydbølgene beveger seg gjennom huden, brystkassen, hjerteposen, hjertemuskelen osv.

De reflekterte lydbølgene vil ha omtrent samme hastighet som de utsendte lydbølgene, men amplitude (styrke), frekvens og innfallsvinkel kan avvike. Ultralydmaskinen utnytter disse variasjonene:

Amplitude: Bestemmer hvor lyst pikpelet blir på skjermen (ekkomisitet). Sterke reflektorer (som perikard eller forkalkninger) vises som hvite, mens væske (blod) som reflekterer lite lyd, vises som sort (anekkoisk).
Tid: Tiden det tar fra pulsen sendes til ekkoet mottas, bestemmer dybden på strukturen (Avstand = Hastighet × Tid / 2).
Doppler-effekt: Endringer i frekvensen på det reflekterte signalet brukes til å beregne hastigheten og retningen på blodstrøm eller vevsbevegelse (Doppler-prinsippet).