Как ультразвуковой диагностический прибор стал очень маленьким?

Благодаря технологии MEMS для самых разных видов УЗИ вам понадобится всего один датчик и смартфон.

 В привычном процессе проведения ультразвукового исследования (УЗИ) постепенно происходят существенные изменения. На смену привычному, относительно громоздкому, ультразвуковому диагностическому аппарату с несколькими датчиками и свисающими кабелями, во многих случаях приходит ультракомпактное устройство, которое подключаются к обычному смартфону.

Эти устройства достаточно малы, чтобы поместиться в кармане лабораторного халата, их возможности достаточно широки, чтобы исследовать практически любую часть тела, от органов брюшной полости до поверхностных вен, в том числе в режиме 3D. И все это с помощью одного датчика. Эти устройства оснащены искусственным интеллектом (ИИ) могут использоваться неквалифицированными специалистами в любых условиях, а не только обученными специалистами по ультразвуковой диагностике в клиниках.

Первый такой миниатюрный портативный ультразвуковой датчик на основе технологии MEMS появился на рынке в 2018 году от компании Butterfly Network из Берлингтона, штат Массачусетс. В сентябре 2023тгода компания Exo Imaging из Санта-Клары, штат Калифорния, выпустила свой вариант аналогичного устройства.

Это стало возможным благодаря технологии кремниевого ультразвука, созданной с использованием типа микроэлектромеханической системы (MEMS). С помощью данной технологии удалось разместить от 4000 до 9000 микропреобразователей — устройств, преобразующих электрические сигналы в ультразвуковые импульсы и обратно — на кремниевую подложку с чипом размером 2 х 3 см. Интегрируя технологию преобразователей MEMS со сложной электроникой на одном чипе, эти ультрапортативные УЗ устройства не только реализуют  стандартную визуализации УЗИ и реализацию 3D, но и открывают новые сферы клинического применения, которые были невозможны ранее.

Как «работает» УЗИ (ультразвуковая эхолокация)?

Чтобы понять, как разработчики достигли этого, полезно знать физические основы УЗИ. Ультразвуковые датчики используют пьезоэлементы для преобразования электрической энергии в ультразвуковые волны, которые проникают в тело. Звуковые волны отражаются от границ сред с разным акустическим сопротивлением в мягких тканях тела и отражаются обратно к датчику. Затем в пьезоэлементах происходит преобразования отраженных ультразвуковых сигналов в электрические сигналы, а компьютер преобразует данные в изображение, которое отображается на экране аппарата УЗИ.

Обычные ультразвуковые датчики содержат ряды пьезоэлементов, изготовленные из пластин пьезоэлектрических кристаллов или керамики, такой как титанат свинца-циркония (PZT). При воздействии импульсов электричества эти пластины расширяются и сжимаются (вибрируют), и таким образом генерируют высокочастотные ультразвуковые волны, которые распространяются вглубь тканей.

Ультразвуковая диагностика исторически проводилась на громоздком оборудовании с несколькими специализированными датчиками для разных видов УЗИ. Julian Kevin Zakaras /Fairfax Media/Getty Images

Для последующего получения УЗ изображения ультразвуковые волны должны «выходить» из пьезоэлементов и проникать вглубь мягких тканей и жидкость содержащих структур в теле пациента. Это нетривиальная задача. Можно сравнить с ситуацией, как если бы вы, стоя рядом с бассейном пытались разговаривать с собеседником, который находится в бассейне под водой. А регистрация отраженного УЗ сигнала этих волн — это как стоять рядом с бассейном и пытаться услышать, как кто-то говорит под водой. Поэтому, для решения этой проблемы между рядом пьезоэлемента и сканирующей поверхностью датчика находится несколько (обычно 3) слоев материала, которые плавно переходят по «жесткости» от твердого пьезоэлектрического элемента в глубине датчика к мягким тканям тела.

Частота УЗ импульса, передаваемой в тело, определяется в основном толщиной пьезоэлектрического элемента. Более тонкий элемент передает более высокие частоты, что позволяет увидеть на ультразвуковом изображении более мелкие детали (более высокое пространственное разрешение), но только на небольшой глубине ввиду затухания УЗ волны. Более низкие частоты от более толстого пьезоэлектрического материала проникают глубже в тело, но обеспечивают более низкое разрешение изображения.

Это одна из основных причин, почему для визуализации различных органов требуется несколько типов ультразвуковых датчиков с частотами от 1 до 30 мегагерц. Для визуализации крупных органов глубоко в теле или будущего ребенка в утробе матери используются датчики с частотой от 1 до 5 МГц, который может обеспечить разрешение от 2 до 3 миллиметров и возможно получить изображение на глубине до 30 см. Для визуализации кровотока в брахиоцефальных сосудах и сосудах конечностей обычно используют датчик с частотой от 5 до 10 МГц. В настоящее время для УЗИ кожи в дерматологии и косметологии используют датчики с частотами до 25-30МГц.

Продолжение статьи доступно всем пользователям с действующей подпиской USC+