Виды датчиков для аппаратов узи и как врач выбирает нужный сканер

Содержание:

Конвексный датчик УЗИ
- Конвексный преобразователь УЗИ для 2D-визуализации
- Конвексный преобразователь УЗИ для 3D-визуализации
Применение сенсоров ультразвукового излучения в робототехнике
Принцип действия
- - - - УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК Lego Mindstorm EV 3. ЗРИ В КОРЕНЬ
3Скетч Arduino для ультразвукового дальномера
Общая информация об ультразвуковых датчиках
Другие типы датчиков УЗИ
Общая информация об ультразвуковых датчиках
Виды и типы ультразвуковых расходомеров воды и область их применения
Ультразвуковой датчик: области применения
Как применяется датчик движения?
Преимущества и недостатки ультразвуковых датчиков

Конвексный датчик УЗИ

Выпуклый ультразвуковой преобразователь (например, GE C1-6) также называют криволинейным преобразователем, поскольку пьезокристаллическое расположение является криволинейным.

Кроме того, вид луча выпуклый, а также датчик хорош для углубленных исследований.

Даже несмотря на то, что разрешение изображения уменьшается при увеличении глубины.

Величина, частота и место использования также зависят от того, используется ли продукт с целью 2D или 3D-визуализации.

Конвексный преобразователь УЗИ для 2D-визуализации

Наконец, выпуклый датчик для 2D-визуализации обладает широким следом, а его центральная частота составляет 2,5 – 7,5 МГц.

Вы можете использовать его для:

Абдоминальные обследования.
Трансвагинальные и трансректальные обследования.
Исследование органов.

Конвексный преобразователь УЗИ для 3D-визуализации

Выпуклый датчик УЗИ для 3D-визуализации обладает широким полем видимости и центральную частоту 3,5 МГц-6,5 МГц.

Вы можете использовать его для исследования брюшной полости.

В дополнение к выпуклым преобразователям существует подтип, называемый микро-выпуклым.

Он имеет гораздо меньший след, и, как правило, врачи будут использовать его в неонатальных и педиатрических приложениях.

Применение сенсоров ультразвукового излучения в робототехнике

Главная задача, решаемая в робототехнике с помощью датчиков этого вида — ориентирование робота на местности, предотвращение столкновений и обеспечение обхода препятствий.

Достоинства систем ориентации, построенных на ультразвуковых датчиках:

цена;
проста в изготовлении, так как монтируется из легкодоступных элементов;
при интегрировании в роботизированные устройства не требуется менять схему управления робота;

универсальность;
нечувствительность к неблагоприятным факторам окружающей среды: задымленность, запыленность, отсутствие света, высокая влажность.

Учитывая незначительную дистанцию действия сенсоров в воздушной среде, их применяют в пространствах ограниченного объема искусственного или естественного происхождения, с твердыми и ровными поверхностями. Это обеспечивает получение устойчивого эхо-сигнала. В таких условиях информация ультразвукового дальномера объективна. Для кругового обзора необходимо увеличение количества датчиков. Определение расстояние до преграды в движении, остановка и объезд достигается программными средствами.

Ультразвуковые сенсорные системы широко применяются в подводных роботах, являясь основными средствами контроля окружающего пространства. Здесь в качестве гидроакустических преобразователей используют магнитострикционные излучатели, обладающие большой акустической мощностью.

Принцип действия

Ультразвуковой дальномер определяет расстояние до объектов точно так же, как это делают дельфины или летучие мыши. Он генерирует звуковые импульсы на частоте 40 кГц и слушает эхо. По времени распространения звуковой волны туда и обратно можно однозначно определить расстояние до объекта.

В отличие от инфракрасных дальномеров, на показания ультразвукового дальномера не влияют засветки от солнца или цвет объекта. Но могут возникнуть трудности с определением расстояния до пушистых или очень тонких предметов. Поэтому высокотехнологичную мышеловку выполнить на нём будет затруднительно.

При отражении звука от препятствия мы слышим эхо. Летучая мышь использует отражение ультразвуковых волн для полётов в темноте и для охоты на насекомых. По такому же принципу работает эхолот, с помощью которого измеряется глубина воды под днищем корабля или поиск рыбы.

Принцип передачи и приема ультразвуковой энергии лежит в основе многих очень популярных ультразвуковых датчиков и детекторов скорости. Ультразвуковые волны являются механическими акустическими волнами, частота которых лежит за пределами слышимости человеческого уха — более 20 кГц. Однако сигналы этих частот воспринимаются некоторыми животными: собаками, кошками, грызунами и насекомыми. А некоторые виды млекопитающих, таких как летучие мыши и дельфины, общаются друг с другом ультразвуковыми сигналами.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК Lego Mindstorm EV 3. ЗРИ В КОРЕНЬ

Технические спецификации и особенности продукта:

- Измерение расстояния в диапазоне от 1 до 250 см
- Точность измерения до +/- 1 см
- Передняя подсветка в виде красного кольца горит постоянно при передаче сигнала и мигает при прослушивании эфира
- Если ультразвуковой сигнал распознан, датчик возвращает логическое значение «Истина»
- Автоматическая идентификация производится программным обеспечением микрокомпьютера EV3

Рис. 1 Ультразвуковой датчик Lego Mindstorm EV 3 (стоимость вместе с внутренним микроконтроллером и микросхемами усиления сигнала $50, при себестоимости $5)

Рис. 2 Схема ультразвукового датчика Lego Mindstorm EV 3 (ultrasonic sensor hardware schematics) построена на микроконтроллере STM8S103F3

Введение в микроконтроллеры stm8
Схема центрального микроконтроллера LEGO MINDSTORMS EV3 programmable brick main hardware schematics

Рис. 3 Ультразвуковые излучатель AW8T40 и приемник AW8R40 ультразвукового датчика Lego Mindstorm EV 3

3Скетч Arduino для ультразвукового дальномера

Напишем скетч для нашего дальномера:

const int trigPin = 6; // вывод триггера датчика HC-SR04
const int echoPin = 5; // вывод приёмника датчика HC-SR04

#include <LiquidCrystal.h> // подключаем стандартную библиотеку
LiquidCrystal lcd(12, 11, 10, 9, 8, 7); //инициализация ЖКИ 

void setup() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT); // триггер - выходной пин
  pinMode(echoPin, INPUT); // эхо - входной
  digitalWrite(trigPin, LOW); 
  lcd.begin(16, 2); //задаём кол-во строк и символов в строке
  lcd.setCursor(10, 0); // выравниваем надпись по правому краю
  lcd.print("Dist:");
  lcd.setCursor(14, 1); 
  lcd.print("cm");
}

void loop() {
  long distance = getDistance(); // получаем дистанцию с датчика   
  lcd.setCursor(10, 1);
  lcd.print("    "); // очищаем ЖКИ от предыдущего значения
  lcd.setCursor(10, 1);
  lcd.print((String)distance); // выводим новую дистанцию
  delay(100);
}

// Определение дистанции до объекта в см
long getDistance() {
  long distacne_cm = getEchoTiming() * 1.7 * 0.01;
  return distacne_cm;
}

// Определение времени задержки
long getEchoTiming() {
  digitalWrite(trigPin, HIGH); // генерируем импульс запуска
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  // определение на пине echoPin длительности уровня HIGH, мкс:
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  return duration;
}

Тут всё просто. Сначала инициализируем ЖКИ на выводах 12, 11, 10, 9, 8 и 7 с помощью библиотеки LiquidCrystal из состава Arduino IDE. Далее привяжем выводы «триггер» и «эхо» дальномера к выводам 6 и 5 платы Arduino. Каждые 100 мс будем запрашивать с детектора расстояние с помощью функции getDistance() и выводить на ЖК-дисплей.

У меня на LCD дисплее имеется дефект, и его левая половина почти не работает. Поэтому я вывожу надписи выровненными по правому краю.

После того как записали скетч в память Arduino, можем собирать прибор. Предлагаемая мной компоновка внутренностей показана на рисунке. Дисплей и датчик я закрепил с помощью термоклея. Он держит достаточно прочно, но при этом даёт возможность снять соединённые детали, если понадобится. Желательно всё разместить так, чтобы можно было подключиться к USB порту Arduino и поправить «прошивку» при необходимости. Например, изменить выводимый текст или поправить коэффициенты для расчёта дистанции. Может понадобиться менять контрастность ЖК дисплея, так что также желательно иметь в доступности регулятор потенциометра.

Вариант готового прибора показан на фотографии. Он достаточно компактен и удобен в использовании.

Вариант компоновки ультразвукового дальномера

Внешний вид готового ультразвукового дальномера

Но следует иметь в виду несколько важных замечаний при его использовании:

Ультразвук лучше отражается от гладких поверхностей, чем от поглощающих (например, мягкого ковра). Поэтому следует выбирать место расположения дальномера при измерении так, чтобы напротив дальномера располагалась гладкая отражающая поверхность (например, стена).
Показания прибора могут существенно отличаться в зависимости от угла направления на цель. Поэтому лучше всего провести несколько измерений, немного изменяя угол направления на цель, и взять среднее значение от всех измерений.

Общая информация об ультразвуковых датчиках

Прежде чем разбирать принцип работы конкретных устройств, стоит рассмотреть все аспекты работы ультразвукового датчика.

Принцип работы

Работа ультразвукового датчика заключается в том, что передатчик посылает ультразвуковую волну с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен герц, направленную к определенному объекту. Когда волна встречает объект, она отражается от него и возвращается, попадая в приёмник. По времени, в течение которого волна преодолела путь, можно определить расстояние от объекта. В зависимости от типа устройства, это расстояние может варьироваться от нескольких сантиметров до 10 метров.

Генерируемое отражение принимается и преобразуется в электрический сигнал пьезоэлектрическим преобразователем. Прибор измеряет задержку между излучаемым ультразвуковым импульсом и полученным отражением, вычисляя расстояние до объекта, используя значение скорости звука. При комнатной температуре скорость распространения звука в воздухе составляет около 344 м/с.

Самоочищение ультразвукового датчика

В настоящее время, благодаря использованию передовых технологий, ультразвуковое устройство может действовать как датчик приближения, и как аналоговый измеритель расстояния. Большим преимуществом таких детекторов является то, что на их работу не влияют внешние условия окружающей среды, такие как туман, пыль, загрязнение воздуха. Кроме того, датчики также работают с прозрачными объектами, которые создают сильные отражения. Уникальная способность УЗ-устройства, заключается в том, что у них есть функция самоочищения, которой нет ни у каких других датчиков. Это связано с тем, что при передаче ультразвуковых волн, прибор сам настраивается на вибрацию (под воздействием высокочастотных звуков) и таким образом очищается от пыли и других загрязнений.

Диапазон измерения

Точность работы в первую очередь обусловлена диапазоном измерения. Прибор определяет интервал, при этом учитывая все значения, для измерения которых данное устройство предназначено. Основной принцип заключается в том, что измерения всегда более точны в среднем диапазоне, и менее точны ближе к предельным значениям. Диапазон измерения может быть соответствующим образом адаптирован к вашим потребностям. Современные устройства, как правило, имеют несколько различных диапазонов. Они указаны в спецификации продукта. Таким образом, вы можете выбрать нужный датчик для требуемых замеров.

Факторы, влияющие на диапазон измерения

Диапазон измерения УЗ-датчика зависит от свойств поверхности и угла установки объекта. Наибольший диапазон измерения можно получить для объектов с плоскими поверхностями, расположенными под прямым углом к оси датчика. Очень маленькие объекты или предметы, отражающие звук, частично сокращают дальность обнаружения. Объекты с гладкими поверхностями должны быть расположены как можно ближе к датчику, под углом 90°. Поверхности с неровной текстурой обеспечивают больший допуск к отклонению угла объектов.

Следует также учитывать воздействие окружающей среды. Наибольшее влияние на точность ультразвуковых датчиков оказывает температура воздуха. Относительная влажность и барометрическое давление также должны быть учтены.

Материалы, которые может обнаружить ультразвуковой датчик

УЗ-устройства обнаруживают практически все промышленные материалы из дерева, металла или пластика, независимо от их формы и цвета. Объекты могут быть твердыми, жидкими или порошкообразными. Единственным требованием является беспрепятственное отражение звуковых волн в сторону датчика. Однако некоторые объекты могут уменьшить рабочий диапазон устройства. Это объекты с большими, гладкими и наклонными поверхностями, либо с пористой текстурой, например, войлок, шерсть или строительная пена.

Другие типы датчиков УЗИ

На рынке существует еще несколько видов ультразвуковых датчиков УЗИ. Такие как:

Карандашный датчик УЗИ

Карандашные преобразователи, также называемые CW-доплеровскими зондами, их используют для замера кровотока, а также скорости звука в крови.

Этот зонд имеет небольшой размер и использует низкую частоту (обычно 2 МГц– 8 МГц).

Эндокавитальный датчик УЗИ

Кроме того, существует эндокавитарный тип ультразвукового датчика.

Эти зонды дают вам возможность осуществлять внутренние обследования пациента.

Поэтому они предназначены для установки в определенные отверстия корпуса.

Эндокавитальный датчик УЗИ

Эндокавитальные преобразователи включают эндовагинальные, эндоректальные и эндокавитальные преобразователи.

Как правило, они имеют небольшие следы и частота их колеблется в диапазоне 3,5 МГц – 11,5 МГц.

Чреспищеводный датчик УЗИ

Кроме того, имеется чреспищеводный (ТРОЙНИКОВЫЙ) зонд.

Как и ранее упомянутые зонды, он имеет небольшой размер и применяется для внутренних обследований.

Он часто используется в кардиологии, чтобы получить качественные изображения УЗИ сердца через пищевод.

Частота средняя, в диапазоне 3мгц-10МГц.

Зонды используемые в хирургии

Кроме того, существует несколько зондов, специализированных для хирургического использования, например – лапароскопические зонды.

Также смотрите Ультразвуковая диагностика.

Общая информация об ультразвуковых датчиках

Принцип работы

Самоочищение ультразвукового датчика

Диапазон измерения

Факторы, влияющие на диапазон измерения

Материалы, которые может обнаружить ультразвуковой датчик

Виды и типы ультразвуковых расходомеров воды и область их применения

Ультразвуковые счетчики воды применяются как для технологического так и для коммерческого учета.

Доплеровские приборы применяются при наличии достаточного количества взвешенных частиц в потоке при средних требованиях к точности и надежности показаний при типовых (несложных) гидравлических условиях в местах измерений. Могут иметь клиновидные, трубные либо накладные датчики.

Время-импульсные водосчетчики применяются в достаточно чистой воде при высоких или средних требованиях к точности и надежности показаний. Могут иметь клиновидные, трубные, штанговые либо накладные датчики, а также датчики-полушария.

Кросс-корреляционные расходомеры применяются при наличии достаточного количества взвешенных частиц в потоке при высоких требованиях к точности и надежности получаемых данных, в том числе в сложных местах измерений. Могут иметь клиновидные либо трубные датчики. Возможна установка датчиков на плотах, также возможна установка нескольких датчиков по ширине канала.

Примечание: иногда к ультразвуковым счетчикам воды относят также уровнемеры, которые измеряют только уровень в безнапорном потоке, а затем вычисляют объемный расход исходя из теоретически определенной по формулам Маннинга или Павловского средней скорости течения (на основе информации об уклоне канала, состоянии его стенок и т.п.).

Обычно при использовании уровнемеров рекомендуется устанавливать их на лотках Вентури или Паршаля для стабилизации гидравлических характеристик потока. Преимуществом таких приборов являются низкая цена и простота монтажа, недостатком – большая и непредсказуемая погрешность.

Такие счетчики ставят на самотечных каналах на технологические узлы учета, где точность не требуется, либо на коммерческие узлы учета на объектах с малым водопотреблением (где погрешность не приводит к существенным финансовым затратам), либо на объектах, где нет технической возможности установки счетчиков с погружными датчиками.

Ультразвуковой датчик: области применения

В зависимости от особенностей строения, частотных возможностей в каждой отрасли медицины преимущественно используют 1 базовый преобразователь

При выборе трансдьюсора основное, на что обращают внимание – рабочая частота. Специалисты стремятся применять высокочастотные манипуляторы, обеспечивающие получение изображения на экране высокого разрешения

Акушерство

Оптимальными трансдьюсорами в акушерско-гинекологической практике считают конвексные: стандартные и трансвагинальные. Ими обеспечивается максимальное проникновение луча. Это базовые преобразователи для исследования брюшной полости, малого таза, плода на разных стадиях развития. Существуют специальные датчики, способные получать 4D-изображение и одновременно выводить картинку на экран. Подобные аппараты способны изучать строение мелких частей плода, сердечно-сосудистую систему и выявлять отклонения на ранних стадиях вынашивания.

Офтальмология

В данной области имеются датчики специального предназначения. В основном рекомендуется выбирать секторные, конвексные манипуляторы механического типа. Оптимальная частота – 20МГц. Метод позволяет определить наличие инородного тела, объемного образования, оценить состояние зрительного нерва. Доплеровское сканирование дает информацию о состоянии сосудов глазного дна.

Внутренние органы

Для исследования глубоко расположенных объектов применяют преимущественно конвексные датчики. Прибор незаменим в диагностике состояния паренхиматозных органов: печени, поджелудочной железы. Из-за повышенной концентрации газа в пищеварительном тракте изучение состояния ЖКТ при помощи УЗИ затруднено. Однако существуют косвенные признаки, позволяющие заподозрить кишечную непроходимость, перитонит, травму внутренних органов.

Кардиология

Секторные фазированные датчики – основные устройства для изучения состояние сердечно-сосудистой системы. Их выбор основан на необходимости осмотра большого участка через межреберные щели. Чрезпищеводными трансдьюсорами оснащают современные аппараты, что позволяет изучать сердце внутриполостным способом и обеспечить максимальную точность доплеровского сканирования на этапе подготовки к операции, для диагностики острых состояний.

Неврология

УЗИ диагностика имеет решающее значение для обследования новорожденных, когда существует возможность наблюдения за головным мозгом, внутричерепными пространствами через незаросший родничок.

У взрослых специальные фазированные датчики исследуют мозг в наиболее тонких участках: височная область, затылочная ямка. Однако подобные манипуляторы работают только на низких частотах. В связи с этим УЗИ диагностика несколько уступает КТ и МРТ.

Как применяется датчик движения?

Детекторы движения эксплуатируются с разными целями и в разных условиях. Они обеспечивают автоматическое включение и отключение оборудования, которое может быть сложным техническим комплексом, а может быть и обыкновенным источником света. Приборы света включаются, когда в поле их видимости появляется объект и отключаются спустя некоторое время после того, как двигательная активность погаснет.

Кроме того, такие приборы широко используются в системах «умного дома». Они регулируют систему вентиляции, кондиционирования, отопления, открывают автоматические ворота и двери и управляют другими механизмами в помещении.

Преимущества и недостатки ультразвуковых датчиков

Преимущества:

ультразвуковые передатчики легко устанавливаются на поверхности или на резервуары, содержащие жидкость;
настройка проста, и эти устройства с возможностью бортового программирования могут быть сконфигурированы за считанные минуты;
поскольку нет контакта со средой и движущихся частей, устройства практически не требуют технического обслуживания;
поскольку устройство бесконтактно, измерение уровня не зависит от изменений плотности жидкости;
изменения температуры изменят скорость ультразвукового импульса, но встроенный температурный датчик автоматически исправит погрешности при вычислении;
изменения технологического давления не влияют на измерение.

Недостатки:

ультразвуковые датчики рассчитаны на то, что импульс не будет затронут во время его полета, поэтому следует избегать жидкостей, образующих тяжелые газы или слои пара;
поскольку для прохождения импульса требуется воздух, применение ультразвукового-датчика в вакууме невозможно;
конструкционные материалы прибора обычно ограничивают температуру работы, примерно до 70 C;
приборы можно использовать на силосохранилищах, содержащих сухие продукты, такие как гранулы, зерна или порошки, но необходимо учитывать такие факторы, как угол поверхности, запыленность и расстояние.