بررسی موضوع ماوراء صوت (Ultrasound)

پرتو X از لحظه كشف به استفاده عملی گذاشته شد و در طی چند سال اول بهبود در تكنیك و دستگاه به سرعت پیشرفت كرد برعكس اولتراسوند در تكامل پزشكیش بطور چشمگیری كند بوده است تكنولوژی برای ایجاد اولتراسوند و اختصاصات امواج صوتی سالها بود كه دانسته شده بود اولین كوشش مهم برای استفاده عملی در جستجوی ناموفق برای كشتی غرق شده تیتانیك در اقیانوس اطلس شمالی در

ماوراء صوت (Ultrasound)

پرتو X از لحظه كشف به استفاده عملی گذاشته شد و در طی چند سال اول بهبود در تكنیك و دستگاه به سرعت پیشرفت كرد. برعكس اولتراسوند در تكامل پزشكیش بطور چشمگیری كند بوده است. تكنولوژی برای ایجاد اولتراسوند و اختصاصات امواج صوتی سالها بود كه دانسته شده بود. اولین كوشش مهم برای استفاده عملی در جستجوی ناموفق برای كشتی غرق شده تیتانیك در اقیانوس اطلس شمالی در سال 1912 بكار رفت سایر كوششهای اولیه برای بكارگیری ماوراء صوت در تشخیص پزشكی به همان سرنوشت دچار شد. تكنیكها بویژه تكنیكهای تصویرسازی تا پژوهشهای گسترده نظامی در جنگ دوم بطور كافی بسط نداشت. سونار Sonar (Sound Navigation And Ranging) اولین كاربرد مهم موفق بود. كاربردهای موفق پزشكی به فاصله كوتاهی پس از جنگ در اواخر دهة 1940 و اوایل دهة 1950 شروع شد و پیشرفت پس از آن تند بود.

اختصاصات صوت

یك موج صوتی از این نظر شبیه پرتو X است كه هر دو امواج منتقل كننده انرژی هستند. یك اختلاف مهمتر این است كه پرتوهای X به سادگی از خلاء عبور می‌كنند درحالیكه صوت نیاز به محیطی برای انتقال دارد. سرعت صوت بستگی به طبیعت محیط دارد. یك روش مفید برای نمایش ماده (محیط) استفاده از ردیفهای ذرات كروی است كه نماینده اتمها یا ملكولها هستند كه بوسیله فنرهای ریزی از هم جدا شده اند (شكل A 1-20). وقتی كه اولین ذره جلو رانده می‌شود فنر اتصالی را حركت می‌دهد و می فشرد به این ترتیب نیرویی به ذره مجاور وارد می آورد (شكل 1-20). این ایجاد یك واكنش زنجیره ای می‌كند ولی هر ذره كمی كمتر از همسایه خود حركت می‌كند. كشش با فشاری كه به فنر وارد می‌شود بین دو اولین ذره بیشترین است و بین هر دو تایی به طرف انتهای خط كمتر می‌شود. اگر نیروی راننده جهتش معكوس شود ذرات نیز جهتشان معكوس می‌گردد. اگر نیرو مانند یك سنجی كه به آن ضربه وارد شده است به جلو و عقب نوسان كند ذرات نیز با نوسان به جلو و عقب پاسخ می دهند. ذرات در شعاع صوتی به همین ترتیب عمل می‌كنند به این معنی كه آنها به جلو و عقب نوسان می‌كنند ولی در طول یك مسافت كوتاه فقط چند میكرون در مایع و حتی از آن كمتر در جامد.

اگر چه هر ذره فقط چند میكرون حركت می‌كند از شكل 1-20 می توانید ببینید كه اثر حركت آنها از راه همسایگانشان در طول خیلی بیشتری منتقل می‌شود. در همان زمان یا تقریباً همان زمانی كه اولین ذره مسافت a را می پیماید اثر حركت به مسافت b منتقل می‌شود. سرعت صوت با سرعتی كه نیرو از یك ملكول به دیگری منتقل می‌شود تعیین می‌گردد.

امواج طولی

ضربانات اولتراسوند در مایع به صورت امواج طولی منتقل می‌شود. اصطلاح «امواج طولی» یعنی اینكه حركت ذرات محیط به موازات جهت انتشار موج است. ملكولهای مایع هدایت كننده به جلو و عقب حركت می‌كنند و ایجاد نوارهای انقباض و انبساط (شكل 2-20) می‌كنند. جبهه موج در زمان 1 در شكل 2-20 وقتی طبل لرزنده ماده مجاور را می فشارد آغاز می‌شود. یك نوار انبساط در زمان 2 وقتی كه طبل جهتش معكوس می‌گردد پیدا می‌شود. هر تكرار این حركت جلو و عقب را یك سیكل (Cycle) یا دوره تناوب گویند و هر سیكل ایجاد یك موج جدید می‌كند. طول موج عبارت است از فاصله بین دو نوار انقباض یا دو نوار انبساط و بوسیلة علامت نشان داده می‌شود. وقتی كه موج صوتی ایجاد شد حركت آن در جهت اولیه ادامه می یابد تا اینكه منعكس شود منكسر شود یا جذب گردد. حركت طبل لرزان كه برحسب زمان رسم شده است یك منحنی سینوسی را كه در طرف چپ شكل 2-20 نشان داده شده است تشكیل می‌دهد. اولتراسوند برحسب تعریف فركانسی بیش از 20000 سیكل بر ثانیه دارد. صوت قابل شنیدن فركانسی بین 15 و 20000 سیكل بر ثانیه دارد (فركانس میانگین صدای مرد در حدود 100 سیكل بر ثانیه و از آن زن در حدود 200 سیكل بر ثانیه می‌باشد). شعاع صوتی كه در تصویرسازی تشخیصی بكار می رود فركانسی از 000/000/1 تا 000/000/20 سیكل بر ثانیه دارد. یك سیكل بر ثانیه را یك هرتس (Hertz) گویند. یك میلیون سیكل بر ثانیه یك مگاهرتس (مختصر شده آن (MHz) است. اصطلاح هرتس به افتخار فیزیكدان مشهور آلمانی Heinrich R.Hertz می‌باشد كه در سال 1894 وفات یافت.

سرعت صوت

برای بافتهای بدن در محدودة اولتراسوند پزشكی سرعت انتقال صوت مستقل از فركانس می‌باشد و عمدتاً بستگی به ساختمان فیزیكی ماده ای دارد كه از میان آن صوت عبور می‌كند. خواص مهم محیط منتقل كننده عبارتند از : (1) قابلیت انقباض (compressibility) و (2) چگالی (Density). جدول 1-20 سرعت صوت را در بعضی از مواد شناخته شده از جمله چندین نوع بافت بدنی نشان می‌دهد. مواد به ترتیب افزایش سرعت انتقال مرتب شده اند و می توانید ببینید كه صوت در گازها از همه كندتر در مایعات با سرعت متوسط و از همه تندتر در اجسام جامد حركت می&zwnj
;كند. ملاحظه كنید كه تمام بافتهای بدن جز استخوان مانند مایعات رفتار می‌كنند و بنابراین همگی صوت را تقریباً با یك سرعت منتقل می‌كنند. یك سرعت 1540 متر بر ثانیه به عنوان میانگین برای بافتهای بدن بكار می رود.

قابلیت انقباض: سرعت صوت با قابلیت انقباض ماده منتقل كننده نسبت معكوس دارد به این معنی كه هرچه ماده كمتر قابل انقباض باشد صوت در آن تندتر منتقل می‌شود. امواج صوتی در گازها آهسته حركت می‌كنند زیرا ملكولها از هم دورند و به آسانی قابل انقباضند. آنها به گونه ای رفتار می‌كنند كه گویی بوسیلة فنر سستی بهم بسته اند. یك ذره باید فاصله نسبتاً طویلی را بپیماید پیش از اینكه بوسیله یك همسایه تحت تأثیر قرار گیرد. مایعها و جامدها كمتر قابل انقباضند زیرا ملكولهایشان به یكدیگر نزدیكترند. آنها فقط نیاز به طی مسافت كوتاهی دارند تا در همسایه اگر گذارند بنابراین مایعها و جامدها صوت را تندتر از گاز منتشر می‌كنند.

چگالی: مواد متراكم متمایلند كه از ملكولهای حجیم درست شده باشند و این ملكولها اینرسی خیلی زیادی دارند. حركت دادن آنها و یا ایستاندن آنها وقتی به حركت درآمدند مشكل است. چون انتشار صوت شامل حركت شروع و توقف ذره ای منظم می‌باشد انتظار نداریم كه یك ماده ای كه از ملكولهای بزرگ (یعنی دارای جرم زیاد) تشكیل شده مانند جیوه صوت را با سرعت زیاد مانند ماده ای كه از ملكولهای كوچكتر درست شده مانند آب منتقل كند. جیوه 9/13 برابر متراكمتر از آب است بنابراین ما انتظار داریم كه آب صوت را خیلی سریعتر منتقل كند. با اینهمه از جدول 1-20 می توانی ببینید كه آب و جیوه صوت را تقریباً با سرعت مشابه منتقل می‌كنند. این تناقض ظاهری با قابلیت انقباض آب توجیه می‌شود كه 4/13 برابر قابل انقباضتر از جیوه است. كاهش قابلیت انتقال صوت در جیوه به سبب جرم زیادتر آن تقریباً بطور كامل در اثر دست آورد به سبب انقباض پذیری كمتر جبران می‌شود. به عنوان یك قانون كلی همین اصل بر تمام مایعات صادق است كه چگالی و انقباض پذیری بطور معكوس متناسبند. در نتیجه تمام مایعات صوت را در یك محدوده نزدیك بهم منتقل می‌كنند.

ارتباط بین طول موج و سرعت موج به قرار زیر است. = V

در محدوده فركانس اولتراسوند سرعت صوت در هر محیط بخصوصی ثابت است. وقتی فركانس افزایش یابد طول موج باید كاهش یابد. این موضوع در شكل 3-20 نشان داده شده است. در شكل A 3-20 لرزاننده فركانس MHz 5/1 دارد. فرض می كنیم محیط آب باشد كه صوت را با سرعت m/s 1540 منتقل می‌كند طول موج خواهد بود:

(1/sec) 1500000= m/sec 1540 و m 001/0 = بنابراین m 001/0 mm) 1) حداكثر طولی است كه موج می تواند حركت كند پیش از اینكه در زمان موجود موج جدید شروع شود. در شكل B 3-20 دو برابر شده و به MHz 3 رسیده است ولی موج با همان سرعت حركت می‌كند بنابراین طول موج نصف شده و به m 0005/0 (mm 5/0) رسیده است.

شدت (Inteneity)

شدت صوت یا بلندی آن در محدوده قابل شنیدن با طول نوسان ذرات منتقل كننده صوت تعیین می‌شود هرچه بلندی با نوسان بیشتر باشد صوت شدیدتر است. شكل 4-20 امواج طولی با شدت كم و زیاد با فركانس طول موج و سرعت مساوی را نشان می‌دهد. در شعاع با شدت بالا نوارهای انقباضی فشرده ترند. هرچه لرزاننده محكمتر ضربه بخورد انرژی بیشتری دریافت می‌كند و نوسانها پهن تر خواهند بود. این حركات رفت و آمدی پهنتر به محیط هدایت كننده مجاور منتقل می‌شود و ایجاد شعاع شدیدتر می‌كند. شدتهای اولتراسونیك را برحسب وات (توان) بر سانتیمتر مربع بیان می‌كنند (ملاحظه كنید كه این واحدها اختلاطی از SI و cgs می باشند ولی بهرحال این روشی است كه ما انجام می دهیم). بیان ریاضی كه شدت را به سرعت ذره سرعت موج و چگالی محیط مربوط می‌كند نسبتاً پیچیده است و برای رادیولوژیستها اهمیت عملی ندارد بنابراین ما سعی نمی كنیم كه در اینجا آن را تشریح كنیم.

شدت نسبی صوت: شدت صوت را برحسب دسیبل (decibel) اندازه گیری می‌كنند. یك دسیبل یك واحد نسبی است و واحد مطلق نیست. تعریف ساده آن این است كه یك دسیبل (dB) یك دهم بل (Bel) (B) است. یك بل مقایسه توان نسبی دو شعاع صوتی است كه برحسب لگاریتم بر پایه 10 بیان شده اند. برای كسانی كه ممكن است لگاریتم را فراموش كرده باشند بطور خلاصه آن را دوره می كنیم. از شماره 10 شروع می كنیم و آن را به توانهای مختلف مثبت و منفی می رسانیم و ما شماره هایی به شرح زیر بدست می آوریم: مثلاً 10 به توان چهار (10⁴) برابر 10000 می‌باشد. لگاریتم 10000 برابر 4 است. ملاحظه كنید كه در ستون وسط صفر وجود ندارد. لگاریتم صفر نامعین است. عدد 10 به توان 0 برابر 1 است و نه 0 كه ممكن است در نظر اول بنظر آید.

به تعریف خودمان از بل برگردیم. بل یك مقایسه لگاریتمی شدت نسبی دو شعاع صوتی است. جدول 2-20 ارتباطات بین بل دسی بل و شدت (یا توان) یك شعاع اولتراسونیك را خلاصه كرده است. ملاحظه كنید كه افزایش شدت از 1 به 2 بل شدت را با ضریب 10 افزایش می‌دهد. تعداد دسی بل با ضرب تعداد بل در 10 بدست می آید. اگر شعاع اولتراسوند شدت اولیه cm² / وات 10 داشته باشد و اكوی برگشتی 001/0 وات بر cm² باشد شدت نسبی خواهد بود:

dB 40- یا B 4- = 0001/0 log = log دسی بل یا علامت مثبت و یا علامت منفی دارد. علامت مثبت افزایش توان را نشان می‌دهد در حالیكه دسی بل منفی نشانگر خسران توان است. اولتراسوند درحالیكه از بافت عبور می‌كند توان از دست می‌دهد بنابراین در مثال بالا شدت شعاع برگشتی نسبت به شعاع اولیه dB 40- است. جدول 2-20 یك ستون دسی بلهای منفی و درصد صوت باقیمانده در سطح دسیبل جدید را در شعاع نشان می‌دهد. در مثال ما شدت اكوی برگشتی

(dB40-) فقط 01/0 % شدت ابتدایی است.

ترانسدوسرها (TRANSDUCERS)

یك ترانسدوسر وسیله ای است كه می تواند یك نوع انرژی را به نوعی دیگر تبدیل كند. یك ترانسدوسر اولتراسونیك بكار می رود كه علامت الكتریكی را به انرژی اولتراسونیك تبدیل كند كه بتواند به داخل بافت منتقل شود و انرژی اولتراسونیك منعكس شونده از بدن را دوباره به علامت الكتریكی بدل نماید.

تركیب كلی یك ترانسدوسر اولتراسونیك در شكل 5-20 نشان داده شده است. مهمترین جزء آن یك عنصر بلوری پیزوالكتریك (Piezoelectric) نازك (تقریباً mm 5/0) است كه نزدیك سر ترانسدوسر قرار دارد. جلو و عقب بلور با یك لایه نازك هادی پوشیده شده است تا یك تماس خوبی را با دو الكترود كه میدان الكتریكی تدارك می‌كنند تا بلور را تحت فشار درآورد تأمین كند. واژه «فشار» اشاره به تغییر شكل بلور دارد كه وقتی ولتاژ به آن داده می‌شود ایجاد می‌گردد. سطحهای بلور با الكترودهایی از طلا یا نقره پوشش یافته. الكترود خارجی به زمین متصل است تا بیمار را از شوك الكتریكی محافظت كند و سطح خارجی آن با یك عایق الكتریكی بدون منفذ پوشیده شده است. الكترود داخلی به یك قطعه ضخیم پشتی تكیه دارد كه امواج برگشتی صوتی را كه به ترانسدوسر منتقل می‌شود جذب می‌كند. محفظه معمولاً یك پلاستیك محكم است. یك عایق صوتی لاستیك یا چوب پنبه از عبور صوت به داخل محفظه جلوگیری می‌كند. گونه های بسیار ترانسدوسر از نظر اندازه و شكل وجود دارد كه كارهای ویژه ای را انجام می دهند ولی همه این طرح كلی را دارند.

ویژگیهای بلورهای پیزوالكتریك

بعضی از مواد چنانند كه برقراری میدان الكتریكی بر آنها با تغییر ابعاد فیزیكی آنها همراه می‌شود و بالعكس. این را اثر «پیزو الكتریك» گویند كه اولین بار بوسیلة پیر و ژاك كوری در سال 1880 بیان شد. مواد پیزو الكتریك از دوقطبیهای (dipoles) بی شمار كه با طرح هندسی مرتب شده اند ساخته شده اند. یك دو قطبی الكتریكی یك ملكول كج شده است كه به نظر می آید كه یك سرش بار مثبت و در سر دیگر بار منفی دارد (شكل 6-20). انتهاهای مثبت و منفی طوری مرتب شده اند كه یك میدان الكتریكی باعث می‌شود كه آنها جهتشان دوباره سازی شود و به این ترتیب ابعاد بلور را تغییر دهند (شكل A 6-20). شكل تغییر قابل توجهی را در ضخامت نشان می‌دهد ولی عملاً تغییر فقط چند میكرون است. ملاحظه كنید كه جریانی از میان بلور عبور نمی‌كند. الكترودهای پوشاننده چون خازنها عمل می‌كنند و ولتاژ بین آنها است كه ایجاد میدان الكتریكی می‌كند كه به نوبة خود باعث می‌شود كه بلور (crystal) شكلش تغییر كند. اگر ولتاژ با ضربانهای ناگهانی وارد شود بلور مانند یك «سنج» كه به آن ضربه خورده است و ایجاد صوت می‌كند به ارتعاش درمی آید. قطعه پشتی بسرعت ارتعاشات را خفه می‌كند تا ترانسدوسر را برای كار دومش آماده نگاه دارد كه آن كشف پژواك (echo) برگشتی است.

در حالیكه ضربانهای صوتی از بدن عبور می‌كنند اكوها از هر حد فاصل بافتی به طرف ترانسدوسر برمی گردند. این اكوها با خود انرژی دارند و انرژی خود را به ترانسدوسر می دهند كه باعث انقباض فیزیكی عنصر بلوری می‌شود. این انقباض دوقطبیهای ریز را وادار می‌كندكه جهتشان را تغییر دهند و به این ترتیب یك ولتاژی بین الكترودها ایجاد می‌كنند. ولتاژ تقویت می‌شود و به صورت علامت اولتراسونیك برای نمایش روی نمایشگر اسیلوسكوپ و یا تلویزیون درمی آید. در حاشیه نیروی انقباض و ولتاژ همراه آن مسئول نام پیزو الكتریك می باشند كه معنی آن الكتریسیته «فشاری» است.

بعضی مواد موجود در طبیعت خواص پیزو الكتریك دارند (مانند كوارتز) ولی بیشتر بلورها كه در اولتراسوند پزشكی بكار می روند ساخت انسان می باشند. این گروه مواد پیزوالكتریك مصنوعی را فروالكتریكها (ferroelectrics) گویند كه انواع بسیاری از آن وجود دارد. تیتانات باریم (Barium Titanats) از اولین فروالكتریكهای سفالین (ceramic) بود كه كشف شد. آن عمدتاً بوسیلة زیركونات تیتانات سرب (Lead zirconate titanate) كه عموماً آن را PTZ می شناسند جایگزین شده است. چند نی نوع PTZ موجودند كه با تغییرات مختصر اضافات شیمیایی و تغییرات حرارت دادن بدست آمده و خواص مختلف دارند.

امتیاز مهم سفالینهای پیزو الكتریك این است كه بسته به مورد استعمالشان می توانند به اشكال مختلف درآیند. بلورهای پیزو الكتریك را می توان طوری طرح ریزی كرد كه یا در حالت ضخامت یا در حالت شعاعی به ارتعاش درآیند (شكل 7-20). بلورهای پزشكی طوری طراحی شده اند كه در حالت ضخامت مرتعش شوند. با اینهمه هنوز به مقدار كم در حالت شعاعی مرتعش می شوند بنابراین تقویت كننده گیرنده طوری میزان شده است كه تمام فركانسها را جز آنهایی كه در حالت ضخامت هستند رد كند.

حرارت كوری: بلورهای سفالین از دو قطبیهای بیشمار ریز ساخته شده اند ولی برای بدست آوردن ویژگیهای پیزوالكتریك دوقطبیها باید به شكل هندسی مخصوصی مرتب شوند. برای بدست آمدن اینگونه قطبی شدن (Polarization) سفالینه در م
یدان الكتریكی قوی تا حرارت بالایی گرم می‌شود. در حرارت بالا دوقطبیها آزادند كه حركت كنند و میدان الكتریكی آنها را در امتداد دلخواه درمی آورد. بلور در اینحال در حالیكه تحت ولتاژ بالای ثابت است بتدریج سرد می‌شود. وقتی به حرارت اطاق رسید دوقطبیها ثابت می شوند و بلور سپس خاصیت پیزوالكتریك بدست می آورد. حرارت كوری حرارتی است كه در آن این قطبی شدن از بین می رود. گرم كردن یك بلور پیزوالكتریك در بالای حرارت كوری آن را به یك قطعه سفالینه بی مصرف تبدیل می‌كند بنابراین مسلماً ترانسدوسر هرگز نباید در اتوكلاو گذاشته شود. حرارت تقریبی كوری برای چند بلور بشرح زیر است:

فركانس تشدید (Resonant Frequency) : یك ترانسدوسر اولتراسوند طوری طراحی می‌شود كه حداكثر حساسیت رابه فركانس طبیعی مخصوصی داشته باشد. ضخامت بلور پیزوالكتریك فركانس طبیعی آن را تعیین می‌كند كه به آن «فركانس تشدید» گویند. ضخامت بلور مرادف طول لوله در وسیله موسیقی بادی است. همانطور كه لوله طویل صدای قابل شنیدن بم ایجاد می‌كند بلور ضخیم ایجاد اولتراسوند كم فركانس می‌كند. سطوح بلور پیزوالكتریك مانند دو سنج یكسان كه روبروی هم قرار گرفته اند ولی بوسیله هوا از هم جدا هستند عمل می‌كنند. وقتی یك سنج ضربه بخورد ارتعاشات آن امواج صوتی ایجاد می‌كند كه باعث می‌شود سنج دیگر به ارتعاش درآید. ارتعاشات سنج دوم وقتی حداكثرند فضایی كه دو سنج را از هم جدا كرده است برابر نصف طول موج صوت باشد. در این فاصله امواج صوتی از ارتعاشات دو سنج كاملاً همزمانند. صدا از یكی ارتعاشات دیگری را تقویت می‌كند. یك بلور مرتعش پیزوالكتریك صدا را از هر دو جهت از هر سطح منتقل می‌كند. امواج منتقل شونده داخلی درست مانند دو سنج در مثال ما از ترانسدوسر عبور می‌كند تا با ارتعاشات طرف دیگر همزمان شوند. وقتی یك بلور با یك ضربان یگانه تیز ولتاژ الكتریكی ضربه بخورد با فركانس طبیعیش مرتعش می‌شود كه فركانس بوسیله ضخامتش تعیین می‌شود. فركانس طبیعی آن است كه