Ultraljudssändaren & piezoelektriska kristaller
Ultraljudssändaren genererar ultraljudsvågor. Sändaren hålls med en hand och dess position och vinkel justeras för att skicka in ultraljudsvågor till de strukturer som ska visualiseras.
Från sändaren avfyras alltså ultraljudsvågor som penetrerar kroppens vävnader. En del av dessa ljudsvågor reflekteras tillbaka till sändaren som analyserar reflektionerna och med hjälp av dessa skapas en bild av vävnaden. Principen för ultraljud är alltså att skicka ut ljudvågor i vävnaden och analysera de ljudvågor som reflekteras (Figur 1).
Piezoelektriska kristaller
Ultraljudsvågorna genereras av keramiska kristaller som uppvisar piezoelektriska egenskaper (piezoelektriska kristaller). En ultraljudssändare innehåller tusentals sådana kristaller och dessa är placerade längst fram på sändaren (Figur 2). Kristallerna är kopplade till elektroder som går till ultraljudsmaskinen. Elektroderna leder ström från ultraljudsmaskinen till kristallerna och vice versa, dvs från kristallerna till ultraljudsmaskinen.
Piezoelektriska kristaller har unika elektromekaniska egenskaper. När ström levereras till en piezoelektrisk kristall så börjar den vibrera och dessa vibrationer genererar ljudvågor med frekvenser mellan 1.5–8 MHz (dvs ultraljud). Det innebär att piezoelektriska kristaller kan omvandla elektrisk ström till ultraljudsvågor. Faktum är att kristallerna även kan göra det omvända; när de träffas av ultraljudsvågor så börjar de vibrera och dessa vibrationer omvandlas till elektrisk ström som skickas tillbaka till ultraljudsmaskinen.
Som framgår av Figur 3 så innehåller ultraljudssändaren fler komponenter. Innanför sändarens plasthölje finns en akustisk isolering som säkerställer att inga andra ljudvågor påverkar sändaren. Bakom kristallerna finns material (backing layer) som dämpar kristallernas vibrationer, vilket gör att ljudvågorna kan skickas ut i kortare pulser och detta förbättrar upplösningen (se senare diskussion). Framför kristallerna finns material (matching layer) som minskar skillnaden i impedans mellan kristallerna och vävnaden som skall studeras. Utan detta lager blir impedansskillnaden stor, vilket gör att för stor andel av ljudvågorna reflekteras (och då kvarstår färre ljudvågor som kan penetrera och avbilda vävnaden). Längst fram på sändaren finns en akustisk lins. Denna känns som hård gummi och finns för att fokusera ljudvågorna. Genom att fokusera ljudvågorna blir spridningen mindre och därmed ökar bildens upplösning.
Från sändaren skickas ultraljudsvågor ut i pulser. Varje puls består av ett fåtal ljudvågor som skickas ut på 1 till 2 millisekunder. Dessa ljudvågor färdas genom huden, bröstkorgen, perikardiet, myokardiet, kamrarna osv. I övergången mellan varje medium (vävnad, blod osv) kommer en väsentlig del av ljudvågorna reflekteras tillbaka till sändaren. När det reflekterade ljudet träffar de piezoelektriska kristallerna så börjar de vibrera och då alstras elektrisk ström som skickas till baka till ultraljudsmaskinen för analys.
De reflekterade ljudvågorna kommer ha samma hastighet som de utskickade ljudvågorna men amplituden, frekvensen och infallsvinkel kan skilja sig från det utskickade ljudvågorna. Ultraljudsmaskinen utnyttjar variationer i det reflekterade ljudvågornas amplitud, frekvens och timing för att skapa en bild av mediet (vävnaden).
