Sonda elettronica

SONDA ELETTRONICA

Il punto di partenza concettuale per la realizzazione di una sonda elettronica è

il principio di Huygens-Fresnel. Per generare un'onda ecografica, lo spazio

dovrebbe essere teoricamente riempito da infinite onde sferiche, ciascuna

emessa con un preciso ritardo. L'interferenza costruttiva e distruttiva di queste

onde sferiche crea zone di massima e minima pressione, formando un fronte

d'onda piano che può essere angolato (inclinato) di un angolo rispetto al

θ

piano del trasduttore.

L'ingegneria si scontra però con un limite fisico: è impossibile suddividere un

cristallo piezoelettrico (PZT) in infiniti elementi puntiformi, poiché ciò

richiederebbe di pilotarli con infiniti canali in trasmissione (infiniti pulser) e

infiniti canali in ricezione (amplificatori). La soluzione è un'approssimazione del

principio di Huygens: il trasduttore viene suddiviso in un numero limitato N

di piccoli elementi (solitamente tra 100 e 200), disposti uno di fianco all'altro e

separati da una distanza definita "passo" ( ).

d

Per deflettere (Steering) il fascio e creare un fronte d'onda angolato di , è

θ

necessario calcolare la differenza di percorso acustico generata da ciascun

( )

trasduttore, che è pari a . Affinché i fronti d'onda si incontrino in fase,

d∗sin θ

questi percorsi acustici devono differire di o di un suo multiplo. L'ecografo

2 π

deve quindi imporre una legge dei ritardi di tipo lineare: i ritardi di

attivazione dei cristalli devono essere linearmente crescenti o decrescenti, con

uno scarto temporale costante tra un elemento e il successivo basato sulla

( )

formula . Nel caso particolare in cui (nessuna deflessione), non

θ=0

d∗sin θ

vi sono differenze di ritardo e tutti i cristalli emettono simultaneamente.

Le aziende costruttrici partono tipicamente da una singola piastrina di PZT. La

sua forma è rettangolare per le sonde a scansione lineare, oppure pressoché

quadrata per le sonde cardiologiche (sebbene il principio di taglio non cambi).

2

Non si effettuano tagli incrociati a matrice (che richiederebbero elementi,

N

usati oggi solo per il 3D per ragioni di complessità), ma si esegue una serie di

tagli paralleli lungo una sola direzione. Questa scelta ingegneristica definisce

due piani ortogonali con comportamenti fisici completamente diversi:

Piano dell'Azimut: È il piano ortogonale alla direzione dei tagli. In

 questo piano, il cristallo è frammentato, il principio di Huygens è

approssimato e l'ecografo

può eseguire in modo del

tutto elettronico e

automatico sia la deflessione

(steering) che la

focalizzazione e la scansione.

Piano dell'Elevazione: È il piano parallelo ai tagli. Lungo questa

 direzione il cristallo non è stato sezionato, comportandosi a tutti gli effetti

rect

come una sonda monoelemento (una singola funzione che genera

sinc

una in campo lontano, studiabile con la teoria di O'Neil). In questo

piano non c'è focalizzazione elettronica o deflessione: è il medico che

orienta fisicamente la sonda.

La costruzione della sonda prevede di assemblare prima tutti gli strati e di

successivamente

testarli per escludere riflessioni interne, e solo procedere con

il taglio Dall'alto (lato paziente) verso il

basso, il sandwich è così composto:

1. Lente acustica (continua, non viene

tagliata).

2. Matching layer frontale (esterno).

3. Matching layer interno.

4. PZT (spesso ).

λ/2

5. Backing (smorzatore).

Per garantire il massimo trasferimento di energia dal PZT ai tessuti e

minimizzare le riflessioni parassite, le impedenze acustiche ( ) dei due

Z

matching layer devono essere calibrate "a scalare": l'impedenza più grande è

quella adiacente al PZT, mentre quella più bassa è rivolta verso il paziente (

>Z >Z >Z

Z ).

PZT 1 2 paziente

Ciascuno strato deve soddisfare la rigorosa condizione di risonanza ad un

quarto di lunghezza d'onda ( ). Questa geometria fa sì che le onde

λ/ 4 ∘

rifratte e riflesse all'interno dello strato subiscano uno sfasamento di ,

180

generando un'interferenza distruttiva che annulla le riflessioni all'indietro.

Poiché i materiali con impedenza più alta hanno tipicamente anche una

Z matching layer

velocità di propagazione del suono ( ) maggiore, nel primo

c

(più interno) gli ultrasuoni viaggiano più velocemente rispetto al secondo (

>

c c /

). Ricordando la relazione , una velocità maggiore implica una

λ=c f

1 2

lunghezza d'onda più grande. Di conseguenza, il valore teorico di per il

λ/ 4

primo strato è fisicamente maggiore rispetto a quello del secondo strato.

I tagli (kerf) devono essere idealmente infinitamente sottili per non asportare

troppo materiale utile. Vengono eseguiti con una microscopica sega circolare

dotata di una lama spessa appena 20-30 . Affinché i sottoelementi

μm N

rispettino il principio di Huygens, essi devono essere rigorosamente

indipendenti dal punto di vista elettrico e meccanico. Se si tagliasse solo

il PZT, nel momento in cui a un elemento viene dato l'impulso elettrico per

oscillare, la sua vibrazione verrebbe trasmessa al matching layer superiore e al

backing inferiore, che a loro volta farebbero vibrare gli elementi adiacenti.

Questo fenomeno è il cross-talk (i vari elementi "si parlano" tra loro). Per

minimizzare il cross-talk e garantire che un cristallo oscilli da solo, la lama deve

penetrare e tagliare non solo il PZT, ma anche tutti i matching layers e

scendere in profondità all'interno del backing.

Questi pilastri isolati (alti complessivamente 4-5 cm) sono strutture

N

estremamente sottili e fragilissime. Tra un elemento e l'altro non può esserci

aria, altrimenti non avrebbero stabilità meccanica. Gli spazi vuoti lasciati dalla

lama vengono riempiti con un materiale chiamato filler. Il filler è un polimero

delicatissimo e inizialmente fluido, che penetra nelle micro-fessure per

capillarità (sfruttando la tensione superficiale). Il filler deve possedere due

caratteristiche antitetiche: deve essere sufficientemente consistente da

conferire robustezza strutturale alla sonda, ma al tempo stesso deve essere

cedevole per attutire le sollecitazioni meccaniche tra elementi vicini.

Paradossalmente, benché necessario per tenere insieme la sonda, l'inserimento

del filler funge da "ponte" acustico e fa aumentare fisiologicamente un po' il

cross-talk rispetto al vuoto ideale

DIRETTIVITA’: array),

Per comprendere la direttività di una sonda a schiera ( è utile iniziare dal

confronto con una classica sonda monoelemento. Se la sonda fosse

monoelemento con un'apertura rettangolare di larghezza , la sua

W

direttività in campo lontano sarebbe caratterizzata da una singola funzione

.

sinc

Ma in questo caso, abbiamo inciso sul cristallo dei tagli ripetitivi a distanza