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Acoustic impedance matching of medical ultrasound transducers

Department of Electrical Measurements, Lund Institute of Technology, PO Box 118, 22100 Lund, Sweden
Ultrasonics (Impact Factor: 1.81). 04/1985; 23(2):83-9. DOI: 10.1016/0041-624X(85)90037-X
Source: PubMed

ABSTRACT Ultrasonic transducers for pulse-echo systems are studied both theoretically and experimentally. For the theoretical calculations the Mason model for thickness-mode disc transducers with and without backing and matching layers is used. By building several of the theoretically investigated transducer configurations it is shown that theory and experiment agree well. Thus the properties of a transducer can be predicted to a good approximation before its experimental realization. To find transducers with good sensitivity and short pulses, the pulse shape and frequency response for the following classes of transducers were studied both theoretically and experimentally: transducers with backing only, transducers with heavy backing and front matching layers, and air-backed transducers with front matching layers.

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    • "One of the design principles for our proposed ultrasound transducer to create deep body mild hyperthermia (Aitkenhead et al 2008) was that the PZT elements were air backed allowing them to ring undamped following the application of a drive pulse to avoid loss of energy due to absorption in the backing layer (Persson and Hertz 1985). Our aim was to use the same arrangement for mounting the PZT element for this study as was used in that transducer. "
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    ABSTRACT: This paper explores the possibility of using combined measurements of electrical impedance and changes in ultrasound time of flight for determining deep body temperature during mild hyperthermia. Simultaneous electrical impedance spectra (1 kHz-1024 kHz) and ultrasound time-of-flight measurements were made on layered sheep liver and fat tissue samples as the temperature was increased from 30-50 °C. The change in propagation velocity for 100% fat and 100% liver samples was found to vary linearly with temperature and the temperature coefficient of the time-of-flight was shown to vary linearly with the % fat in the sample (0.009% °C-1%-1). Tetrapolar impedance measurements normalized to 8 kHz were shown to have a small sensitivity to temperature for both liver (0.001% °C-1 ≤ 45 °C) and fat (0.002% °C-1 ≤ 512 kHz) and the best linear correlation between the normalized impedance and the % fat in the sample was found at 256 kHz (gradient 0.026%-1, r2 = 0.65). A bootstrap analysis on 15 layered tissue samples evaluated using the normalized impedance at 256 kHz to determine the % fat in the sample and the temperature coefficient of the time of flight to determine the temperature. The results showed differences (including some large differences) between the predicted and measured temperatures and an error evaluation identified the possible origins of these.
    Physiological Measurement 09/2013; 34(9):1103-22. DOI:10.1088/0967-3334/34/9/1103 · 1.62 Impact Factor
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    ABSTRACT: Se proponen Modelos Circuitales Equivalentes, bien sobre nuevos aspectos no antes tratados, o bien con precisión mejorada frente a los modelos convencionales, para la simulación de respuestas en Sistemas de Visualización Ultrasónica, incluyendo sus etapas piezoeléctricas, electrónicas y ultrasónicas. Se incluye la modelización de aspectos importantes presentes en las configuraciones prácticas para diagnóstico industrial y médico, que no son considerados en aproximaciones previas: Excitación impulsiva en Alta Tensión AT (modelización completa con su etapa previa de baja tensión); Efectos no lineales en circuitos de emisión y de recepción; Aspectos no ideales sobre perdidas y distorsiones eléctricas en la electrónica; Cuantificación precisa del comportamiento frecuencial de las pérdidas mecánicas en el elemento piezoeléctrico y en el medio de propagación. Algunos de estos modelos utilizan datos estimados con precisión para los parámetros internos de los transductores piezoeléctricos. Estos datos se obtienen mediante un nuevo método aquí propuesto, basado en técnicas de inteligencia artificial, concretamente en Algoritmos Genéticos (AGs). Se presentan implementaciones Pspice específicas de estos modelos para simular directamente en el dominio del tiempo distintas disposiciones de visualización para ensayos no destructivos (END), por Transmisión (ET) y por Pulso-Eco (EPE), en régimen de alta tensión y con las topologías circuitales no-lineales más usuales en los transceptores electrónicos involucrados. Se aplica todo ello a la evaluación "cuantitativa" de pulsos eléctricos, excitadores AT y respuestas ultrasónicas globales, con transductores concretos, incluyendo efectos eléctricos no-ideales y la topología real de los transceptores ultrasónicos usados en visualización industrial, concretamente para inspecciones END. La contrastación con datos experimentales muestra la clara mejora en precisión de los modelos propuestos. Finalmente, se propone y aplica un método para análisis paramétrico en régimen transitorio, en los dominios del tiempo y la frecuencia, del comportamiento de las etapas electrónicas no-lineales y de AT involucradas en aplicaciones de visualización.
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