Виды датчиков ультразвуковых аппаратов

От правильного выбора УЗИ-датчика напрямую зависит точность и информативность исследования, что, в свою очередь, влияет на постановку верного диагноза.

В статье рассмотрим, как устроены эти важные инструменты ультразвукового аппарата, какие существуют виды датчиков и чем они отличаются друг от друга. Также поможем разобраться, какие характеристики наиболее важны при выборе датчика для решения конкретных клинических задач.

Что такое УЗИ-датчик и какую роль он играет в сканере

УЗИ-датчик — это ключевой элемент ультразвукового аппарата, который работает как приемник и передатчик звуковых волн. Внутри корпуса, который соприкасается с телом пациента, находятся пьезоэлектрические кристаллы. Под воздействием электрических импульсов эти кристаллы вибрируют и генерируют ультразвуковые волны, которые направляются в исследуемую область.

Когда ультразвуковые волны достигают тканей и органов, они частично отражаются и возвращаются к датчику. Пьезоэлектрические кристаллы улавливают эти отраженные волны (эхо) и преобразуют их обратно в электрические сигналы. Уже эти сигналы компьютер ультразвукового аппарата обрабатывает, чтобы сформировать из них изображение на экране.

Таким образом, УЗИ-датчик в сканере служит основным звеном в цепочке от физического воздействия до визуального результата. Качество, форма и размер этого инструмента напрямую влияют на то, насколько четким, глубоким и детальным будет итоговое изображение.

Устройство УЗИ-датчика: ключевые компоненты

Чтобы понять, как датчик создает изображение, разберем его внутреннее устройство. Это сложная многослойная система. Помимо пьезоэлектрического элемента, она состоит из следующих деталей:

1. Демпфер

   Этот слой расположен сразу за пьезоэлектрическими кристаллами. Его задача — быстро поглотить остаточные колебания после того, как ультразвуковой импульс был отправлен. Это предотвращает «звон» кристаллов, что позволяет им быстрее перейти в режим приема. Благодаря демпферу улучшается осевое разрешение, так как датчик может различать два близко расположенных объекта по глубине.

2. Согласующий слой

   Находится перед пьезоэлементами, между ними и телом пациента. Основная функция этого слоя — минимизировать отражение ультразвука на границе датчика и кожи. Он подбирается таким образом, чтобы акустическое сопротивление было промежуточным между кристаллом и телом. Это обеспечивает максимальную передачу ультразвуковой энергии в ткани и повышает чувствительность датчика.

3. Акустическая линза

   Эластичный слой, расположенный на внешней поверхности сканирующей головки, контактирующей с пациентом. Как оптическая линза фокусирует свет, акустическая концентрирует ультразвук в определенной точке.

1.	Токопровод
2.	Демпфер
3.	Решетка пьезоэлементов
4.	Согласующие слои
5.	Акустическая линза

Частотные характеристики датчика и влияние на глубину и точность исследования

Частота — одна из важнейших характеристик УЗИ-датчика, которая определяет, насколько глубоко ультразвук проникнет в ткани и какой детализации изображения удастся добиться.

• Низкая частота (2–5 МГц)

  Низкочастотные волны имеют большую длину и глубоко проникают в ткани — до 30 см. Такие частоты подходят для сканирования глубоко расположенных органов — печени, почек, желчного пузыря.

• Средняя частота (4–7 МГц)

  Применяются для обследования плечевого сплетения в подключичной области, седалищного нерва у взрослых.

• Высокая частота (7–18 МГц)

  Короткие высокочастотные волны дают исключительно высокую детализацию, но не могут проникать на большую глубину. Такие датчики используют для исследования поверхностных структур.

Таким образом, выбор частоты датчика зависит от глубины сканирования.

Классификация датчиков по конструкции и назначению

Для каждой клинической задачи существует свой тип УЗИ-датчика, который обеспечивает оптимальную визуализацию.

1. Линейное (параллельное)
2. Секторное
3. Конвексное

1. Линейные датчики
2. Конвексные датчики
3. Секторные датчики

Конвексный датчик

Этот вид датчика имеет выпуклую, изогнутую поверхность, что позволяет получить изображение в виде сектора с широким полем обзора на глубине.

Назначение	Особенности
Для исследования крупных и глубоко расположенных органов, таких как печень, почки, селезенка, а также для акушерства и гинекологии	Работает на низких частотах и обеспечивает хорошую проникающую способность, но с меньшей детализацией поверхностных структур

1. УЗ-система GE Logiq E10
2. Конвексный датчик C1-D
3. Печень, эластография сдвиговой волны

Линейный датчик

Датчик с плоской рабочей поверхностью, который формирует прямоугольное изображение.

Назначение	Особенности
Для исследования поверхностных структур, требующих высокой детализации: щитовидной и молочной желез, лимфатических узлов, а также для сосудистых исследований	Работает на более высоких частотах, чем конвексный, что обеспечивает превосходное качество и разрешение в ближней зоне, но глубина проникновения луча у него меньше

Секторный фазированный датчик

Имеет очень маленькую плоскую поверхность, но формирует изображение в виде широкого сектора.

Назначение	Особенности
Разработан специально для кардиологии и транскраниальных исследований. Его компактный размер позволяет сканировать узкие акустические окна, например пространство между ребрами	Технология электронного управления лучом позволяет изменять его направление. Это обеспечивает глубокое проникновение для исследования сердца и головного мозга

Микроконвексный датчик

Похож на конвексный, но имеет меньший радиус кривизны и компактные размеры.

Назначение	Особенности
Часто используется в урологии, акушерстве, абдоминальных исследованиях, педиатрии, неонатологии и для исследований в небольшом пространстве, где крупный конвексный датчик неудобен	Сочетает в себе широкий обзор и возможность работать в условиях ограниченного доступа

Внутриполостной (трансвагинальный/трансректальный) датчик

Имеет особую изогнутую форму и предназначен для введения в полость тела.

Назначение	Особенности
Применяется в акушерстве и гинекологии для детального исследования матки и яичников, кардиографии плода, а также в урологии для диагностики простаты.	Работает на высоких частотах. Дает изображения с максимальным разрешением и детализацией органов, расположенных близко к датчику

Чреспищеводный (трансэзофагеальный, TEE) датчик

Специализированный тип датчиков, который также относится к внутриполостным, но разработан специально для кардиологии.

Назначение	Особенности
Используется для детальной оценки клапанов сердца, выявления внутрисердечных тромбов, оценки врожденных пороков сердца, а также во время кардиохирургических операций и интервенционных процедур (например, имплантации клапанов)	Имеет гибкую удлиненную конструкцию для введения через пищевод. Расположение датчика в непосредственной близости от сердца позволяет получать исключительно высокодетализированные изображения сердечных структур, недоступные при трансторакальном сканировании. Часто поддерживают 3D/4D-визуализацию

1. Портативная универсальная кардиоваскулярная УЗ-система
2. Датчики, совместимые с GE Vivid iq
3. Двумерное изображение сердца чреспищеводным датчиком

Карандашный датчик / CW-датчик

Назначение	Особенности
Используется для точного измерения высоких скоростей кровотока, например при стенозах клапанов сердца или сосудов, где обычный импульсный доплер может быть недостаточно точен	В отличие от других, этот датчик не формирует изображение. Он предназначен исключительно для работы в режиме постоянно-волнового доплера (Continuous Wave Doppler, CW), излучая и принимая ультразвук непрерывно

Датчики для интраоперационных исследований

Специализированные датчики для использования непосредственно во время хирургических операций.

Назначение	Особенности
Помогают хирургам ориентироваться, находить опухоли, оценивать края резекции и контролировать ход процедуры в реальном времени	Миниатюрны, могут стерилизоваться и имеют особую форму для введения в операционное поле

Типы УЗИ-датчиков по виду изображения

УЗИ-датчики также можно классифицировать по способу отображения информации.

• 2D-датчики (двухмерные)

  Это наиболее распространенный тип, который формирует стандартное двухмерное изображение.

• 3D/4D-датчики (объемные)

  Эти датчики содержат пьезоэлементы, которые могут сканировать сразу в нескольких плоскостях или механически перемещаться, собирая информацию для создания трехмерной модели.

Они используются в акушерстве для детального изучения плода, в гинекологии для оценки матки и яичников, а также в общей хирургии.

3D дает статичное объемное изображение, а 4D добавляет к нему измерение времени, чтобы увидеть, например, мимику плода или движение сердца.

1. Аппарат Voluson E10
2. Конвексный объемный датчик RM7C
3. Клинические изображения

Передовые технологии в датчиках

Инновационные решения значительно улучшают качество изображения и расширяют диагностические возможности датчиков.

Эластография

Некоторые датчики, часто линейные или конвексные, могут использовать компрессию (давление) или сдвиговые волны для измерения эластичности тканей. Они критически важны для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных новообразований (молочной и щитовидной желез) и для оценки степени фиброза печени, что является неинвазивной альтернативой биопсии.

Матричные датчики

Стандартные УЗИ-датчики имеют одномерную решетку элементов. Матричные датчики оснащены двумерной решеткой, где пьезоэлементы расположены как по длине, так и по ширине. Эта сложная архитектура позволяет собирать огромный объем данных одновременно.

Так, матричные датчики являются основой для передовой 3D/4D-визуализации в реальном времени. Они могут создавать объемные изображения всего за один захват и делать визуализацию движения сердца или плода максимально плавной и реалистичной, что невозможно с механическим сканированием.

1. Обычный датчик
2. Матричный датчик

Монокристаллические датчики

В традиционных датчиках используются пьезоэлементы из поликристаллической керамики. В монокристаллических датчиках эти элементы изготовлены из одного кристалла. Эта технология существенно повышает эффективность преобразования энергии и снижает уровень шумов. Улучшенная глубина проникновения луча и более широкий диапазон частот позволяют получать высококачественные изображения даже там, где это технически сложно. Philips, например, называет эту технологию PureWave (чистая волна).

1. Обычный датчик
2. Монокристальный датчик

Пространственное компаундирование (Spatial Compounding Imaging)

Технология позволяет получать несколько изображений одной и той же области под разными углами сканирования, а затем объединять их в одно составное изображение в реальном времени. Она значительно уменьшает артефакты (такие как зернистость изображения — спекл-шум), улучшает контрастное разрешение и делает границы тканей более четкими. Это особенно полезно при исследовании неоднородных структур и позволяет лучше визуализировать патологические изменения.

Тканевая гармоническая визуализация (Tissue Harmonic Imaging, THI)

Технология основана на физическом явлении нелинейного распространения ультразвука в тканях. Датчик излучает ультразвук на одной частоте, но для формирования изображения использует вторую, гармоническую частоту, которая возникает в тканях. Это позволяет получать четкие и контрастные изображения, что особенно актуально, когда исследуются глубоко расположенные органы или когда визуализация затруднена (например, у пациентов с высоким индексом массы тела). Гармонические изображения имеют меньше артефактов и шумов, что значительно улучшает диагностическую ценность.

Как выбрать УЗИ-датчик для конкретного клинического случая

Правильный выбор датчика — это залог успешной и точной диагностики. Он должен соответствовать поставленной задаче, анатомической зоне и особенностям пациента. Приводим таблицу с рекомендациями для наиболее распространенных клинических случаев.

Исследование	Тип датчика и частота	Почему
Брюшной полости (печени, почек, селезенки)	Конвексный 2–5 МГц	Широкий обзор и глубокое проникновение луча для сканирования крупных органов
Акушерство и гинекология	Конвексный 2–5 МГц, внутриполостной 5–9 МГц	Конвексный — для общего обзора плода, внутриполостной — для высокодетальной визуализации яичников, шейки матки
Щитовидной железы, молочных желез, суставов	Линейный 7–18 МГц	Высокая частота дает превосходное разрешение и четкую детализацию поверхностных структур
Кардиология	Секторный фазированный 2–4 МГц	Маленький размер позволяет сканировать сердце через межреберные промежутки, а глубокое проникновение необходимо для оценки всего органа
Педиатрия и неонатология (исследование головы, тазобедренных суставов)	Микроконвексный 4–9 МГц	Компактный размер удобен для маленьких пациентов, а широкий угол обзора помогает при сканировании
Сосудистые исследования (сонные артерии, вены конечностей)	Линейный 7–12 МГц	Обеспечивает высокое разрешение для точной оценки структуры сосудов и кровотока

При выборе важно также учитывать технические особенности. Например, для пациентов с избыточным весом лучше подходят датчики с монокристальной технологией, так как они проникают на большую глубину без потери качества. Для детализированной оценки кровотока в тканях необходим датчик с поддержкой специальных технологий вроде MicroFlow у Philips или Radiantflow у GE.

Заключение

Датчики — это важнейшие компоненты УЗИ-аппарата. Как мы убедились, их разнообразие огромно. Понимание частотных характеристик, а также знание особенностей каждого типа датчика позволяет врачу сделать осознанный выбор для каждого клинического случая. Правильно подобранный датчик дает наиболее точное изображение, что становится фундаментом для постановки верного диагноза и назначения эффективного лечения.