Пьезокомпозитные материалы в медицинской ультразвуковой диагностике

Область медицинской диагностической ультразвуковой визуализации демонстрирует значительный рост в последние годы благодаря быстрому развитию инновационных материалов и технологий. Среди этих достижений пьезокомпозитные материалы стали настоящим прорывом, предлагая существенное улучшение производительности и эффективности ультразвуковых преобразователей. Эти материалы продемонстрировали потенциал для революции в медицинской ультразвуковой диагностике, повышая точность диагностики и качество медицинской помощи.

Введение в медицинскую диагностическую ультразвуковую визуализацию

Медицинская диагностическая ультразвуковая визуализация представляет собой неинвазивный, безболезненный, удобный и интуитивно понятный диагностический метод, который использует ультразвуковую технологию для измерения и анализа физиологических и тканевых данных в организме человека. Это помогает выявлять заболевания и предоставлять диагностическую информацию. Ультразвуковая диагностика, особенно В-режим, широко применяется и имеет значительное влияние, наряду с рентгеновскими лучами, КТ и магнитно-резонансной томографией (МРТ), как одна из четырех ведущих технологий медицинской визуализации.

Принцип работы медицинской диагностической ультразвуковой системы

Ультразвуковая система состоит из преобразователя, схемы передатчика, схемы приемника, цифровой схемы обработки, управляющей схемы и модуля отображения. Цифровой модуль обработки обычно включает программируемую пользователем вентильную матрицу (ППВМ), которая генерирует формирователь передающего луча и соответствующие формы сигналов на основе конфигурации системы и управляющих параметров.

Драйвер схемы передатчика и высоковольтная схема генерируют высоковольтные сигналы для возбуждения ультразвукового преобразователя, обычно изготовленного из PZT керамики. Преобразователь преобразует сигналы напряжения в ультразвуковые волны, которые проникают в тело человека, одновременно принимая эхо-сигналы, генерируемые тканями человека.

Эхо-сигналы преобразуются обратно в низковольтные сигналы и передаются на передаточно-приемный (T/R) переключатель. Основное назначение T/R переключателя — предотвращение повреждения низковольтного приемного аналогового фронтенда высоковольтными сигналами передачи. Аналоговые сигналы напряжения затем передаются на встроенный АЦП аналогового фронтенда, где они преобразуются в цифровые данные.

Цифровые данные отправляются через интерфейс JESD204B или LVDS на ППВМ для формирования приемного луча, а затем в заднюю цифровую часть для дальнейшей обработки, в конечном итоге создавая ультразвуковое изображение.

Применение пьезокомпозитных материалов в медицинском ультразвуке

Преобразователи высокоинтенсивного фокусированного ультразвука (HIFU) являются основными компонентами систем лечения опухолей HIFU. Традиционные преобразователи страдают от узкой полосы пропускания, низкой электроакустической эффективности преобразования и плохой стабильности выходной энергии. Производительность преобразователя напрямую определяет терапевтический эффект HIFU. Поэтому исследования по оптимизации производительности преобразователей имеют решающее значение.

Преобразователи в основном состоят из пьезоэлектрических вибраторов, согласующих слоев, демпфирующих слоев, электродных проводов и корпусов. Как акустические компоненты ультразвуковой волны, комплексные характеристики 1-3 пьезокомпозитных материалов напрямую определяют различные показатели производительности преобразователя. Высокопроизводительные 1-3 пьезокомпозитные материалы позволяют преобразователям иметь стабильную выходную производительность и высокую электроакустическую эффективность преобразования.

При фиксированном пьезоматериале хорошо разработанный согласующий слой позволяет достичь акустического согласования между преобразователем и рабочей средой, значительно улучшая эффективность передачи акустической энергии между тканью человека и преобразователем и расширяя полосу пропускания преобразователя. Согласующий слой также защищает поверхность преобразователя и пьезокерамику от загрязнения или повреждения во время работы.

Преобразователи, изготовленные из 1-3 пьезокомпозитных материалов без согласующих слоев, были протестированы, показав значительное улучшение электроакустической эффективности преобразования, увеличившейся с 59% до 83% в диапазоне резонансной частоты, при сохранении хорошей стабильности выходной электроакустической производительности.

Исследования согласующего слоя преобразователя показали, что с увеличением акустического импеданса согласующего слоя полоса пропускания -3 дБ преобразователя значительно расширилась, а электроакустическая эффективность преобразования увеличилась. Когда значение акустического импеданса достигло 3,5 Мрейл, полоса пропускания -3 дБ достигла 295 кГц, а максимальная электроакустическая эффективность преобразования достигла 90%.

Заключение

Применение пьезокомпозитных материалов в медицинской диагностической ультразвуковой визуализации значительно улучшает производительность и эффективность ультразвуковых преобразователей. Использование 1-3 пьезокомпозитных материалов не только повышает электроакустическую эффективность преобразования, но и способствует стабильности выходного сигнала преобразователя. Согласующий слой играет критически важную роль в улучшении акустического согласования между преобразователем и телом человека, что приводит к лучшей передаче энергии и более широкой полосе пропускания.

В заключение, пьезокомпозитные материалы обладают большим потенциалом для продвижения области медицинской диагностической ультразвуковой визуализации. Продолжающиеся исследования и разработка этих материалов оптимизируют производительность преобразователей, приводя к улучшенной точности диагностики и более эффективному медицинскому лечению для пациентов. По мере развития технологий интеграция пьезокомпозитных материалов в ультразвуковые устройства будет играть все более важную роль в области медицинской визуализации, способствуя улучшению здравоохранения для людей во всем мире.