امواج اولتراسوند و کاربردهای پزشکی آن

منبع

تاريخچه :

امواج اولتراسوند و کاربردهای پزشکی آن

در رادیولوژی ، پرتو می تواند ساختمان های نهان بدن را آشکار سازد. در آشکارسازی ساختمانهای درونی گاهی از موادی به نام حاجب استفاده می شود. زیانهایی که درتابش پرتو رونتگن و کاربرد مواد حاجب وجود دارد ، دانشمندان را به فکر انداخت تا تابشها و روشهای دیگری برای پی بردن به آناتومی ساختمانهای نهان بکارگیرند.
یکی از روشها کاربرد تشخیصی امواج فراصوت است. در کاربرد امواج الکترومغناطیسی رونتگن از نفوذپذیری آن و همچنین اختلاف جذب پرتو در برخوردش با اتمهای سر راه سود برده می شود درحالی که ویژگی بازتاب امواج مکانیکی فراصوت در برخورد با مرز مشترک بافتها به کار گرفته می شود.
فراصوت یا اولتراسوند تشخیصی یکی از رشته های دانش پزشکی است که گاهی می تواند داده های بیشتری را در مقایسه با رادیولوژی فراهم سازد. از سوی دیگر برای جنین هم خطر کمتری دارد. برای پی بردن به ساز و کار یا مکانیزم کار امواج فراصوتی ،آشنایی با فیزیک آن نیاز است از این رو در این جا ویژگیهای فراصوت بررسی می شود.
واژه فراصوت یا اولتراسوند به امواج مکانیکی گفته می شود که بسامد یا فرکانس آنها بالاتر از حد شنوایی انسان باشد ،گوش انسان می تواند امواج میان 20 هرتز تا 20000 هرتز را بشنود.


امواج فراصوتی

هرموج شنوایی یا فراصوتی یک آشفتگی مکانیکی در یک محیط گاز، مایع و یا جامد است که به سوی بیرون از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت می کند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی ماده منتقل نمی شود.
اگر نوسانهای ذره ها درراستای عمود بر گسیل موج باشد موج عرضی است که بیشتر در جامدها رخ می دهد و اگر نوسان امواج در راستای گسیل امواج باشد موج طولی است . انتشار امواج در بافتهای بدن به گونه امواچ طولی است از این رو ما در پزشکی با این گونه امواج سروکار داریم .
اگر نوسانهای پرده یک بلندگو را بررسی کنیم که با بسامد f نوسان میکند، می تواند چگونگی رفتار صوت را ارزیابی کرد. نوسان باعث ایجاد افزایش و کاهش موضعی فشار نسبت به فشار در محیط هوا می گردد. نقطه های با فشار بیشتر فشردگی و نقطه های کم فشار انبساط نامیده می شود.
هنگام عبور امواج از ماده، ذره های موجود در ماده در اثر امواج در محلشان به پس و پیش و لرزه در می آیند، بگونه ای که انرژی تابیده در سوی موازی با لرزه ذره ها از ماده گذر می کند. ذره ها در درون ماده تنها حرکات پس و پیش را به پیروی از انرژی موج انجام می دهند. این ذره ها حرکت آزاد در درون ماده را پیدا نخواهد کرد. انرژی موجی که باعث حرکت ذره ها می گردد ،هنگام گذر باعث به هم خوردن نظم و تعادل در ماده می شوند.
ذره مادی در اثر نیرو از حالت آرامش یا تعادل در ماده خارج می شود.

ویژگیهای امواج فراصوت

طول موج:
فاصله میان دو نقطه در موج که ویژگی فیزیکی یکسانی را داشته باشند - برای نمونه دو مرکز فشردگی -را طول موج می گویند.
بسامد (f):
شمار تکرار کامل موج در یک ثانیه را بسامد یا فرکانس می گویند یکای بسامد مانند دیگر امواج ،هرتز است .پس یک هرتز یک نوسان در یک ثانیه است.
پریود (T):
پریود یا دوره تناوب طول زمانی است که موج یک زنش کامل انجام می دهد. بنابراین وابستگی میان پریود و بسامد چنین است:
f= 1/T یا T= 1/f
سرعت گسیل موج :
فاصله ای که موج در یکای زمان می پیماید سرعت گسیل موج است.
سرعت امواج فراصوتی ( همه پارامترهای فیزیکی برای صوت شنوایی و فراصوت و یا اینکه همه نوسانهای مکانیکی همانند است ) با چگالی گسیل موج و چگونگی فشردگی محیط چنین رابطه دارند:

هر چه ماده متراکم تر باشد سرعت بیشتر است یعنی هر چه مولکولها کوچکتر باشد جابجا کردن آنها ساده تر است.
هر چه توانایی فشردگی ماده بیشتر باشد ،سرعت فراصوت کمتر است .در حقیقت فشردگی کسری از تغییر حجم ایجاد شده بوسیله تغییر فشار است. البته کار به سادگی گفته بالا نیست زیرا وابستگی وارونه دارند .یعنی با افزایش یکی دیگری کاهش می یابد ( سرعت ثابت ) . سرعت گسیل موج فراصوت به بسامد بستگی ندارد.
دیده می شود که سرعت موج در بافتهای نرم به هم نزدیک است ولی سرعت امواج در استخوان بسیار بزرگتر است ( نزدیک چهار برابر ). فراصوتی با بسامد یک میلیون هرتز ( 1 MHZ ) در آب با سرعت 1500 m/sec دارای طول موج 0.15 cm است.

بازتابش
امواج مکانیکی -که فراصوت نیز نمونه ای از آن است -دربرخورد با اجسام سر راه بازتاب می یابند. این بازتابش چند گونه دارد. در بازتابش آینه ایSPECULAR ) ( که در رویه تخت و صیقلی انجام می گیرد ،راستای تابش و بازتاب یکی است. در بازتابش نا آینه ای موج به رویه ناصاف برخورد می یابد.
گونه دیگر از بازتابش، پراکندگی است که مانند بازتابش ناآینه است تنها در این بازتابش موج به ذره کوچک برخورد می کند و این ذره خود مانند چشمه فراصوت کارمی کند و در همه راستاها،موج گسیل می شود.
برخورد امواج فراصوتی به مرز میان دو محیط:
هنگامی که موجی با زاویه عمود به مرز مشترک دو بافت برخورد می کند، بدون هیچ انحرافی از محیط دوم و در راستای تابش گذر می کند .البته بخشی در همان راستا بازتاب می شود. اگر تابش امواج به گونه مایل به مرز مشترک بافتها انجام گیرد و سرعت صوت c در دو محیط یکسان نباشد موج در محیط دوم شکسته می شود .

قانونهای اسنل
هنگامی که موج فراصوتی به مرز مشترک دو محیط برای نمونه هوا – بافت برخورد نماید ،بخشی از آن بازتاب پیدا کرده و بخشی به درون آن راه می یابد. برابر قانون های اسنل:
(a موج تابشی و بازتابشی و گذری در یک صفحه اند.
(b زاویه تابش با زاویه بازتابش برابر است.
اگر تابش به اندازه ای برسد که زاویه شکست 90 درجه شود، یعنی مماس بر مرز مشترک دو محیط،
زاویه تابش در این حالت زاویه بحرانی نامیده می شود.
در این حالت موج وارد محیط دوم نخواهد شد و بازتاب کلی داریم.
نمونه سرعت فراصوات در بافت نرم 1540 m/s است .اگراین سرعت در استخوان 4080 m/s باشد و زاویه بحرانی نزدیک به 22 درجه باشد ،هیچ گونه انرژی فراصوت وارد استخوان نخواهد شد.

ضریب بازتابش و گذر:
امواج هنگامی که به مرز مشترک دو محیط مادی می رسند می توانند از آن گذر کنند. از دید فیزیکی چنین حالتی هنگامی رخ می دهد که دو محیط در تماس کامل باشند. اگر امپدانس صوتی دو محیط برابر باشد امواج بدون اینکه تحت تاثیر دو محیط باشند از آن محیط می گذرند ( البته شکست می تواند صورت بگیرد ) ولی زمانی که امپدانس های صوتی دو محیط با هم برابر نباشند موج تابنده به پیروی از شرایط فیزیکی دو محیط - سرعت و فشار ذرات - در مرز مشترک به دو بخش بازتابشی و گذری تقسیم می شود.

هنگامی که امواج صوتی به دیواره سخت برخورد می کنند ( برخورد امواج صوتی به کوه ) بازتاب می یابند. در این جا بازتاب یا اکو یا پژواک هنگامی بوجود می آید که اندازه های دیواره سخت ( رویه بازتاب کننده ) نسبت به طول موج امواج تابشی بسیار بزرگتر باشد .
هر اندازه که دانسیته یا چگالی محیط دوم ( رویه بازتاب کننده ) بیشتر باشد دامنه بازتابش بلندتر و امواج شنیدنی آشکارتر خواهد بود.( برخورد فریاد با سنگهای کوه ) . از سوی دیگر هر چه طول موج تابنده کوچکتر باشد بازتاب اکو بهتر انجام می شود ( مانند این است که رویه بازتاب دهنده بزرگتر است ). از گفته های بالا پیداست که پدیده بازتابش درباره امواج فراصوت که طول موج کوتاهتری دارند ،بهتر انجام خواهد گرفت.
برای نمونه اگر غده یا توموری به اندازه های 4 x 4 x4 سانتی متر در بافت کبد وجود داشته باشد ،به علت اختلاف امپدانس صوتی میان بافت سالم کبد و بافت توموری و همچنین اختلاف بزرگ میان طول موج فراصوت ( نزدیک به 1 میلیمتر ) و اندازه های تومور ( نسبت 1/40 ) امکان بازتاب در مرز مشترک غده و بافت سالم وجود خواهد داشت و بازتابش در این مرز مشترک به بهترین صورت نمایان می شود.


جذب و کاهش شدت امواج فراصوتی


جذب
هنگام گذر موج فراصوتی در محیط انرژی آن جذب محیط می شود. دراین پدیده انرژی گرفته شده از موج تابشی آغازین ،پس از زمان ویژه ای به نام زمان دیرکرد به موج تابشی نخستین می پیوندد. جذب شدید انرژی موج فراصوتی تابشی ،هنگامی انجام می گیرد که در پدیده رهایی از فشار، موجی که به موج تابشی آغازین می پیوندد در برابر آن باشد ( اختلاف فاز ) در اینجا اندازه انرژی جذب شده به اندازه انرژی تابشی آغازین که تغییر شکل داده بستگی خواهد داشت.
در بسامدهای پایین فراصوتی ،زمان دیرکرد که انرژی تغییر شکل یافته به موج تابشی آغازین می پیوندد کوچک و نادیده گرفتنی است ،پس جذب شدید نیست ولی اندازه جذب با افزایش بسامد افزایش می یابد و هنگامی به بیشترین اندازه خود میرسد که انرژی تغییر شکل یافته برای پیوستن به موج تابشی آغازین درست در برابر آن جا گیرد ( اختلاف فاز کامل ). اگر بسامد از این اندازه بالاتر رود زمان برای تغییر شکل انرژی کوچک شده و در اینجا اندازه جذب ،باز کاهش می یابد.


تضعیف
تضعیف جمع انرژی هایی است که بعلت جذب و پراکندگی از موج تابشی برداشته می شود. این کاهش با جنس ماده ( ویسکوزیته ) و بسامد تابش بستگی دارد.
اگر شدت و دامنه موج تابشی آغازین پیش از برخورد به بافت Io و Ao ( در فاصله x=o ) و در ژرفای x سانتی متر I و A باشد میان دو شدت و دو دامنه بستگی زیر وجود دارد.
I = Io e-μx وA = AO e-μx ضریب تضعیف موج فراصوتی در یک ماده یا بافت است. در گذر انرژی فراصوتی از یک محیط- برای نمونه یک بافت- اگر dB را بر سانتیمتر بخش کنیم پایای بگونه dB/cm بدست می آید . این پایا به امپدانس صوتی، ویسکوزیته محیط و بسامد بستگی دارد بنابراین می توان آنرا dB/cm/MHZ هم نشان داد. نام دیگر این یکا Neper/cm است . دیده می شود که هرچه محیط فشرده تر باشد کاهش بیشتر است. برای نمونه این ضریب برای ماهیچه بیشتر از خون است و این در سونوگرافی با ارزش است. برای نمونه اگر نگاره سونوگرافی را بررسی کنیم نقطه های روشن نشان دهنده بافتهای نرم است،زیرا در اینجا کاهش کوچکتری نسبت به نقطه های تاریک انجام گرفته است و موج فراصوتی با انرژی بیشتری همراه است ( یک کیست هیداتیک ) در جایگاههای نقطه های تیره بافتهای سخت تر وجود دارد و در این نقطه ها کاهش بیشتری داریم ( مانند یک تومور ). تغییرهای شدت موج فراصوتی بگونه ای نمائی (اکسپوتانسیل) انجام می شود .
نگاره های صوتی یا سونوگرام بر پایه بازتابش و کاهش انرژی بدست می آیند. برای نمونه اگر 90% شدت فراصوت در گذر از یک سانتی متر بافت کاهش یابد ،پس از پیمایش یک سانتیمتر تنها 10% از شدت آن باقی می ماند و پس از پیمایش 2 cm این اندازه به 1% و پس از 3 cm به 0.01% و ... می رسد. این کار را با بکارگیری دسی بل می توان نشان داد. پس از یک سانتیمتر:
dB = 10 log10 I2/I1
(-1) = -10 => dB = -10 * dB= 10 log10 10/100 = 10
نشانه منفی ، نمایشگر این است که با گذر موج از ماده از شدت آن کاسته می شود . با همین روش میتوان دسی بل را پس از 2 سانتیمتر به ترتیب -2 dB و -3 dB به دست آورد.
برای به دست آوردن اندازه کاهش انرژی فراصوت در گذر از یک فاصله در یک محیط ضریب تضعیف محیط را در فاصله گذر آن ضرب می کنند.
کاهش انرژی در یک بافت در حالتهای مختلف متفاوت است ولی در کاربرد آن را یکسان می گیرند.


اثر داپلر
هنگامی که امواج صوتی یا فراصوتی به یک دیواره سخت برخورد نمایند بازتاب می کنند. در این بازتاب چنانچه چشمه تابش صوت و گیرنده ثابت باشند بسامد امواج تابنده و بازگشتی با هم برابرند .
اگر گیرنده به سوی چشمه موج حرکت کند و یا چشمه موج به سوی گیرنده حرکت نماید - چشمه موج و گیرنده به هم نزدیک شوند -طول موج بازتاب یافته فشرده شده و بسامد آن افزایش می یابد. بر عکس اگر گیرنده یا چشمه موج حرکت کرده و فاصله آنها زیاد شود بسامد موج بازتاب کاهش می یابد.
با توجه به این که سرعت گسیل فراصوت ثابت است ،تغییر در طول موج به گونه ای مستفیم بر بروی بسامد اثر خواهد گذاشت. این اثر داپلر خوانده می شود. هنگامی که قطاری با سروصدای زیاد به شما نزدیک و سپس دور می شودتغییر بسامد بوق قطار که بگونه پیوسته نواخته می شود،بعلت اثر داپلر به آسانی تشخیص دادنی است.

پدیده داپلر در تشخیص پزشکی با به کارگیری فراصوت ارزش فراوانی دارد که پس از این درباره آن گفتگو خواهد شد.

تولید و آشکار سازی امواج فراصوتی:
خفاشها نوسانهای مکانیکی فراصوت تولید و در فضا پخش می کنند و با در یافت پژواکهای ( بازتابها ) این امواج - پس از برخورد با دیواره که ممکن است شکار باشد -کار ره یابی را انجام می دهند.
در جنگ جهانی دوم دانشمندان دریافتند که اندیشه تولید امواج فراصوت را می توان درره یابی کشتیها بکار گرفت و پس از جنگ ،مهندسان دستگاههایی را برای کاربردهای تشخیصی و درمانی فراصوت ساختند.
فراصوت به روشهای گوناگونی تولید می شود که از آنها می توان دو روش پیزوالکتریسیته و مگنتواستریکسیون را نام برد.

الف- اثر پیزوالکتریسیته


بر هم کنش فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته می گویند.
فشردن برخی از بلورها در راستای ویژه ای از بلور نیروی الکتریکی ایجاد می کند و بر عکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همان راستا باعث فشردگی و انبساط آن می گردد یا به زبان دیگر تغییر بعد در آن به وجود می آورد . می توان گفت که تغییر پلاریزاسیون الکتریکی در یک بلور باعث تغییر حالت کشسانی بلور می شود و تغییر حالت کشسانی بلور باعث دپلاریزاسیون آن می گردد. اثر پیزوالکتریسیته تنها در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند وجود دارد .
راستایی که در آن کشش یا فشار پلاریزاسیونی به موازات نیروی وارده پدید می آورد ،محور پیزوالکتریک یا محور الکتریکی بلور نامیده می شود و مواد دارای این ویژگی را مواد پیزوالکتریک می گویند.
بلور کوارتز از این دسته مواد است و از نخستین اجسامی است که این ویژگی در آن کشف گردید و هم اکنون هم برای تولید امواج فراصوت بکار برده می شود . موادی مانند بلور کوارتز، واسطه ای برای واگردانی انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس می باشند و مبدل یا ترانسدیوسر نام دارند .
بلوری از کوارتز به بزرگی یک سانتیمتر اگر زیر فشار یک اتمسفر باشد ،اختلاف پتانسیل الکتریکی یک ولت را بوجود می آورد( از این رو می توان این پدیده را در سنجش فشار بکار برد.)
اگر چه مواد بلوری طبیعی که دارای اثر پیزوالکتریسیته باشند ،فراوان هستند ولی در بکارگیری فراصوت در تشخیص پزشکی ،کریستالهایی بکار گرفته می شود که سرامیکی بوده و به گونه مصنوعی تهیه می شوند. نمونه این کریستالها ،آمیخته ای از زیرکونیت سرب و تیتانیت سرب است که در هنگام ساخته شدن می توانند پلاریزه شده و به شدت دارای ویژگی پیزو الکتریسیته گردند . همه این فراورده ها وابسته به گروهی از مواد که فروالکتریک نامیده می شوند هستند.

ب- اثر مگنتواستریکسیون
این ویژگی در اجسام فرومنیتیک تحت تاثیر میدان مغناطیسی به وجود می آید . اجسام یاد شده در این میدانها تغییر طول می دهند و بسته به بسامد جریان متناوب به نوسان در می آیند و می توانند امواج فراصوتی تولید کنند.