Ultralydstransduceren og piezoelektriske krystaller
Ultralydstransduceren genererer ultralydsbølger (ultrasonic). Transduceren holdes med den ene hånd, og dens position og vinkel justeres for at sende ultralydsbølger gennem de strukturer, der skal visualiseres.
Ultralydsbølger udsendes hurtigt fra transduceren. Disse lydbølger bevæger sig gennem væv og væsker. Nogle af lydbølgerne reflekteres tilbage til transduceren. Ved at analysere de reflekterede lydbølger skaber ultralydsmaskinen et billede af vævet. Princippet i ultralydsbilleddannelse er således enkelt: Lydbølger sendes ind i vævet, og de reflekterede bølger bruges til at skabe et billede af vævet (figur 1).
Piezoelektriske krystaller
Ultralydsbølgerne genereres af keramiske krystaller med piezoelektriske egenskaber (dvs. piezoelektriskekrystaller). Tusindvis af piezoelektriske krystaller er fastgjort til transducerens forside (figur 2). Krystallerne er forbundet med ultralydsmaskinen via elektroder.
Piezoelektriske krystaller har unikke elektromekaniske egenskaber. Når der tilføres elektrisk strøm til en piezoelektrisk krystal, begynder den at vibrere, og disse vibrationer genererer lydbølger med frekvenser mellem 1,5 og 8 MHz (dvs. ultralyd). Piezoelektriske krystaller kan altså omdanne elektrisk strøm til ultralydsbølger. Krystallerne kan også gøre det modsatte; når krystallerne rammer af reflekterede ultralydsbølger, begynder de at vibrere, og disse mekaniske vibrationer omdannes til elektrisk strøm, som sendes tilbage til ultralydsmaskinen, hvor det elektriske signal fortolkes og omsættes til et billede (figur 3).
Som det fremgår af figur 2, indeholder ultralydstransduceren flere komponenter. Transduceren indeholder akustisk isolering, som sikrer, at ingen andre lydbølger påvirker transduceren. Krystallerne understøttes af et bagvedliggende lag, der undertrykker krystallernes vibrationer, så lydbølgerne kan sendes ud i kortere impulser, og det forbedrer opløsningen (beskrives nedenfor). Foran krystallerne er der materialer (matchende lag), som reducerer forskellen i impedans mellem krystallerne og det væv, der skal undersøges. Uden dette lag bliver impedansforskellen stor, hvilket medfører, at en for stor del af lydbølgerne reflekteres (og færre lydbølger trænger ind i vævet). Forrest på transduceren sidder en akustisk linse. Det er det hårde gummi, der fokuserer ultralydsbølgerne, hvilket resulterer i mindre spredning af bølgerne og dermed øger billedets opløsning.
Fra transduceren sendes ultralydsbølger ud i pulser. Hver puls består af nogle få lydbølger, der udsendes i løbet af 1 til 2 millisekunder. Disse lydbølger bevæger sig gennem huden, brystet, hjertesækken, myokardiet osv. I overgangen mellem hvert medium (væv, blod osv.) vil en betydelig del af alle lydbølger blive reflekteret tilbage til transduceren. Når den reflekterede lyd rammer de piezoelektriske krystaller, begynder de at vibrere og generere elektriske strømme, som overføres til ultralydsmaskinen til analyse.
De reflekterede lydbølger vil have samme hastighed som de udsendte lydbølger, men amplituden, frekvensen og indfaldsvinklen kan afvige fra de udsendte lydbølger. Ultralydsmaskinen udnytter variationer i de reflekterede lydbølgers amplitude, frekvens og timing til at skabe et billede af mediet (vævet).