2) пьезоэлектрический эффект
3) обратный пьезоэлектрический эффект (+)
4) эффект Виллари
Для генерации ультразвуковых колебаний в диагностическом преобразователе используется обратный пьезоэлектрический эффект — превращение электрического сигнала в механическую деформацию пьезоэлектрического материала. При подаче переменного напряжения кристалл или керамический пьезоэлемент последовательно расширяется и сжимается с частотой электрического возбуждения. Эти механические колебания передаются в ткани через акустическую согласующую среду и формируют ультразвуковую волну; в диагностике обычно применяют частоты порядка 1–15 МГц.
На практике пьезоэлемент работает в составе ультразвукового датчика: электрический импульс вызывает кратковременную деформацию, а последующее затухание формирует зондирующий акустический сигнал. При приёме отражённых от границ тканей эхосигналов действует противоположный, прямой пьезоэлектрический эффект — механические деформации преобразуются в электрический сигнал, который обрабатывается ультразвуковой системой. Поэтому генерация и регистрация ультразвука основаны на взаимно обратимых процессах, но для генерации принципиально необходим именно обратный эффект.
Ферромагнитные явления и эффект Виллари относятся к магнитоупругим процессам и не являются рабочим механизмом стандартных медицинских ультразвуковых преобразователей. Эффект Виллари заключается в изменении намагниченности ферромагнитного материала под воздействием механического напряжения. В медицинской аппаратуре применяют пьезоэлектрические материалы, например цирконат-титанат свинца (PZT), обладающие выраженной электромеханической связью.
| Явление или элемент системы | Физическое преобразование | Роль в ультразвуковой диагностике | Типичный пример |
|---|---|---|---|
| Обратный пьезоэлектрический эффект | Электрическое напряжение преобразуется в механическую деформацию | Генерация ультразвуковых колебаний | Возбуждение пьезокерамического элемента датчика |
| Прямой пьезоэлектрический эффект | Механическая деформация преобразуется в электрический заряд | Приём и регистрация отражённых эхосигналов | Ответ пьезоэлемента на эхо от границы тканей |
| Пьезоэлектрическая керамика PZT | Поляризованный материал деформируется под действием переменного поля | Основной активный элемент большинства диагностических датчиков | Линейный, конвексный или секторный преобразователь |
| Акустическая согласующая прослойка | Снижает несоответствие акустических сопротивлений | Повышает передачу энергии от датчика в ткани и обратно | Многослойное покрытие рабочей поверхности датчика |
| Ферромагнитный эффект | Изменение магнитных свойств материала в магнитном поле | Не используется как основной механизм генерации диагностического ультразвука | Магнитные материалы и устройства, не пьезоэлектрические датчики |
| Эффект Виллари | Изменение намагниченности под действием механического напряжения | Магнитоупругий эффект, не определяющий работу стандартного УЗ-преобразователя | Исследования ферромагнитных материалов и магнитострикционных систем |
Частота возбуждения определяется резонансными свойствами пьезоэлемента и конструкцией датчика. Повышение частоты улучшает пространственное разрешение, но ограничивает глубину проникновения из-за большего затухания в тканях. Возникающие в организме отражения зависят от различий акустического импеданса, поэтому регистрируемые эхосигналы позволяют формировать изображение анатомических структур. Контактный гель устраняет воздушную прослойку между датчиком и кожей, поскольку воздух резко ухудшает передачу ультразвуковой энергии.