پرتو X از لحظه کشف به استفاده عملی گذاشته شد و در طی چند سال اول بهبود در تکنیک و دستگاه به سرعت پیشرفت کرد برعکس اولتراسوند در تکامل پزشکیش بطور چشمگیری کند بوده است تکنولوژی برای ایجاد اولتراسوند و اختصاصات امواج صوتی سالها بود که دانسته شده بود اولین کوشش مهم برای استفاده عملی در جستجوی ناموفق برای کشتی غرق شده تیتانیک در اقیانوس اطلس شمالی در

ماوراء صوت (Ultrasound)

پرتو X از لحظه کشف به استفاده عملی گذاشته شد, و در طی چند سال اول بهبود در تکنیک و دستگاه به سرعت پیشرفت کرد. برعکس, اولتراسوند در تکامل پزشکیش بطور چشمگیری کند بوده است. تکنولوژی برای ایجاد اولتراسوند و اختصاصات امواج صوتی سالها بود که دانسته شده بود. اولین کوشش مهم برای استفاده عملی در جستجوی ناموفق برای کشتی غرق شده تیتانیک در اقیانوس اطلس شمالی در سال 1912 بکار رفت سایر کوششهای اولیه برای بکارگیری ماوراء صوت در تشخیص پزشکی به همان سرنوشت دچار شد. تکنیکها, بویژه تکنیکهای تصویرسازی تا پژوهشهای گسترده نظامی در جنگ دوم بطور کافی بسط نداشت. سونار, Sonar (Sound Navigation And Ranging) اولین کاربرد مهم موفق بود. کاربردهای موفق پزشکی به فاصله کوتاهی پس از جنگ, در اواخر دهة 1940 و اوایل دهة 1950 شروع شد و پیشرفت پس از آن تند بود.

اختصاصات صوت

یک موج صوتی از این نظر شبیه پرتو X است که هر دو امواج منتقل کننده انرژی هستند. یک اختلاف مهمتر این است که پرتوهای X به سادگی از خلاء عبور می‌کنند درحالیکه صوت نیاز به محیطی برای انتقال دارد. سرعت صوت بستگی به طبیعت محیط دارد. یک روش مفید برای نمایش ماده (محیط) استفاده از ردیفهای ذرات کروی است, که نماینده اتمها یا ملکولها هستند که بوسیله فنرهای ریزی از هم جدا شده اند (شکل A 1-20). وقتی که اولین ذره جلو رانده می‌شود, فنر اتصالی را حرکت می‌دهد و می فشرد, به این ترتیب نیرویی به ذره مجاور وارد می آورد (شکل 1-20). این ایجاد یک واکنش زنجیره ای می‌کند ولی هر ذره کمی کمتر از همسایه خود حرکت می‌کند. کشش با فشاری که به فنر وارد می‌شود بین دو اولین ذره بیشترین است و بین هر دو تایی به طرف انتهای خط کمتر می‌شود. اگر نیروی راننده جهتش معکوس شود, ذرات نیز جهتشان معکوس می‌گردد. اگر نیرو مانند یک سنجی که به آن ضربه وارد شده است به جلو و عقب نوسان کند, ذرات نیز با نوسان به جلو و عقب پاسخ می دهند. ذرات در شعاع صوتی به همین ترتیب عمل می‌کنند, به این معنی که, آنها به جلو و عقب نوسان می‌کنند, ولی در طول یک مسافت کوتاه فقط چند میکرون در مایع و حتی از آن کمتر در جامد.

اگر چه هر ذره فقط چند میکرون حرکت می‌کند, از شکل 1-20 می توانید ببینید که اثر حرکت آنها از راه همسایگانشان در طول خیلی بیشتری منتقل می‌شود. در همان زمان, یا تقریباً همان زمانی که اولین ذره مسافت a را می پیماید, اثر حرکت به مسافت b منتقل می‌شود. سرعت صوت با سرعتی که نیرو از یک ملکول به دیگری منتقل می‌شود تعیین می‌گردد.

 

امواج طولی

ضربانات اولتراسوند در مایع به صورت امواج طولی منتقل می‌شود. اصطلاح «امواج طولی» یعنی اینکه حرکت ذرات محیط به موازات جهت انتشار موج است. ملکولهای مایع هدایت کننده به جلو و عقب حرکت می‌کنند و ایجاد نوارهای انقباض و انبساط (شکل 2-20) می‌کنند. جبهه موج در زمان 1 در شکل 2-20, وقتی طبل لرزنده ماده مجاور را می فشارد آغاز می‌شود. یک نوار انبساط, در زمان 2, وقتی که طبل جهتش معکوس می‌گردد, پیدا می‌شود. هر تکرار این حرکت جلو و عقب را یک سیکل (Cycle) یا دوره تناوب گویند و هر سیکل ایجاد یک موج جدید می‌کند. طول موج عبارت است از فاصله بین دو نوار انقباض, یا دو نوار انبساط, و بوسیلة علامت نشان داده می‌شود. وقتی که موج صوتی ایجاد شد, حرکت آن در جهت اولیه ادامه می یابد تا اینکه منعکس شود, منکسر شود یا جذب گردد. حرکت طبل لرزان که برحسب زمان رسم شده است, یک منحنی سینوسی را که در طرف چپ شکل 2-20 نشان داده شده است تشکیل می‌دهد. اولتراسوند, برحسب تعریف, فرکانسی بیش از 20000 سیکل بر ثانیه دارد. صوت قابل شنیدن فرکانسی بین 15 و 20000 سیکل بر ثانیه دارد (فرکانس میانگین صدای مرد در حدود 100 سیکل بر ثانیه و از آن زن در حدود 200 سیکل بر ثانیه می‌باشد). شعاع صوتی که در تصویرسازی تشخیصی بکار می رود فرکانسی از 000/000/1 تا 000/000/20 سیکل بر ثانیه دارد. یک سیکل بر ثانیه را یک هرتس (Hertz) گویند. یک میلیون سیکل بر ثانیه یک مگاهرتس (مختصر شده آن (MHz) است. اصطلاح هرتس به افتخار فیزیکدان مشهور آلمانی Heinrich R.Hertz می‌باشد که در سال 1894 وفات یافت.

سرعت صوت

برای بافتهای بدن در محدودة اولتراسوند پزشکی, سرعت انتقال صوت مستقل از فرکانس می‌باشد و عمدتاً بستگی به ساختمان فیزیکی ماده ای دارد که از میان آن صوت عبور می‌کند. خواص مهم محیط منتقل کننده 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 که صوت در گازها از همه کندتر, در مایعات با سرعت متوسط, و از همه تندتر در اجسام جامد حرکت می‌کند. ملاحظه کنید که تمام بافتهای بدن, جز استخوان, مانند مایعات رفتار می‌کنند و بنابراین همگی صوت را تقریباً با یک سرعت منتقل می‌کنند. یک سرعت 1540 متر بر ثانیه به عنوان میانگین برای بافتهای بدن بکار می رود.

قابلیت انقباض: سرعت صوت با قابلیت انقباض ماده منتقل کننده نسبت معکوس دارد, به این معنی که هرچه ماده کمتر قابل انقباض باشد, صوت در آن تندتر منتقل می‌شود. امواج صوتی در گازها آهسته حرکت می‌کنند زیرا ملکولها از هم دورند و به آسانی قابل انقباضند. آنها به گونه ای رفتار می‌کنند که گویی بوسیلة فنر سستی بهم بسته اند. یک ذره باید فاصله نسبتاً طویلی را بپیماید پیش از اینکه بوسیله یک همسایه تحت تأثیر قرار گیرد. مایعها و جامدها کمتر قابل انقباضند زیرا ملکولهایشان به یکدیگر نزدیکترند. آنها فقط نیاز به طی مسافت کوتاهی دارند تا در همسایه اگر گذارند, بنابراین مایعها و جامدها صوت را تندتر از گاز منتشر می‌کنند.

چگالی: مواد متراکم متمایلند که از ملکولهای حجیم درست شده باشند و این ملکولها اینرسی خیلی زیادی دارند. حرکت دادن آنها و یا ایستاندن آنها وقتی به حرکت درآمدند مشکل است. چون انتشار صوت شامل حرکت شروع و توقف ذره ای منظم می‌باشد, انتظار نداریم که یک ماده ای که از ملکولهای بزرگ (یعنی دارای جرم زیاد) تشکیل شده, مانند جیوه, صوت را با سرعت زیاد, مانند ماده ای که از ملکولهای کوچکتر درست شده, مانند آب, منتقل کند. جیوه 9/13 برابر متراکمتر از آب است, بنابراین ما انتظار داریم که آب صوت را خیلی سریعتر منتقل کند. با اینهمه, از جدول 1-20 می توانی ببینید که آب و جیوه صوت را تقریباً با سرعت مشابه منتقل می‌کنند. این تناقض ظاهری با قابلیت انقباض آب توجیه می‌شود که 4/13 برابر قابل انقباضتر از جیوه است. کاهش قابلیت انتقال صوت در جیوه به سبب جرم زیادتر آن تقریباً بطور کامل در اثر دست آورد به سبب انقباض پذیری کمتر جبران می‌شود. به عنوان یک قانون کلی, همین اصل بر تمام مایعات صادق است که, چگالی و انقباض پذیری بطور معکوس متناسبند. در نتیجه, تمام مایعات صوت را در یک محدوده نزدیک بهم منتقل می‌کنند.

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

V = سرعت صورت در محیط هدایت کننده

= فرکانس (Hz)

= طول موج (m)

در محدوده فرکانس اولتراسوند, سرعت صوت در هر محیط بخصوصی ثابت است. وقتی فرکانس افزایش یابد, طول موج باید کاهش یابد. این موضوع در شکل 3-20 نشان داده شده است. در شکل A 3-20, لرزاننده فرکانس MHz 5/1 دارد. فرض می کنیم محیط آب باشد که صوت را با سرعت m/s 1540 منتقل می‌کند, طول موج خواهد بود:

(1/sec) 1500000= m/sec 1540 و m 001/0 = بنابراین m 001/0 mm) 1) حداکثر طولی است که موج می تواند حرکت کند پیش از اینکه در زمان موجود موج جدید شروع شود. در شکل B 3-20, دو برابر شده و به MHz 3 رسیده است ولی موج با همان سرعت حرکت می‌کند, 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 کننده صوت تعیین می‌شود, هرچه بلندی با نوسان بیشتر باشد, صوت شدیدتر است. شکل 4-20 امواج طولی با شدت کم و زیاد با فرکانس طول موج و سرعت مساوی را نشان می‌دهد. در شعاع با شدت بالا نوارهای انقباضی فشرده ترند. هرچه لرزاننده محکمتر ضربه بخورد, انرژی بیشتری دریافت می‌کند و نوسانها پهن تر خواهند بود. این حرکات رفت و آمدی پهنتر به محیط هدایت کننده مجاور منتقل می‌شود و ایجاد شعاع شدیدتر می‌کند. شدتهای اولتراسونیک را برحسب وات (توان) بر سانتیمتر مربع بیان می‌کنند (ملاحظه کنید که این واحدها اختلاطی از SI و cgs می باشند, ولی بهرحال این روشی است که ما انجام می دهیم). بیان ریاضی که شدت را به سرعت ذره, سرعت موج, و چگالی محیط مربوط می‌کند نسبتاً پیچیده است و برای رادیولوژیستها اهمیت عملی ندارد, بنابراین ما سعی نمی کنیم که در اینجا آن را تشریح کنیم.

شدت نسبی صوت: شدت صوت را برحسب دسیبل (decibel) اندازه گیری می‌کنند. یک دسیبل یک واحد نسبی است و واحد مطلق نیست. تعریف ساده آن این است که یک دسیبل (dB) یک دهم بل (Bel) (B) است. یک بل مقایسه توان نسبی دو شعاع صوتی است که برحسب لگاریتم بر پایه 10 بیان شده اند. برای کسانی که ممکن است لگاریتم را فراموش کرده باشند, بطور خلاصه آن را دوره می کنیم. از شماره 10 شروع می کنیم 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 کنید که در ستون وسط صفر وجود ندارد. لگاریتم صفر نامعین است. عدد 10 به توان 0 برابر 1 است و نه 0 که ممکن است در نظر اول بنظر آید.

001/0 10

به تعریف خودمان از بل برگردیم. بل یک مقایسه لگاریتمی شدت نسبی دو شعاع صوتی است. جدول 2-20 ارتباطات بین بل, دسی بل, و شدت (یا توان) یک شعاع اولتراسونیک را خلاصه کرده است. ملاحظه کنید که 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 اکوی 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 حالیکه دسی بل منفی نشانگر خسران توان است. اولتراسوند درحالیکه از بافت عبور می‌کند توان از دست می‌دهد, بنابراین در مثال بالا, شدت شعاع برگشتی نسبت به شعاع اولیه dB 40- است. جدول 2-20 یک ستون دسی بلهای منفی و درصد صوت باقیمانده در سطح دسیبل جدید را در شعاع نشان می‌دهد. در مثال ما, شدت اکوی برگشتی

(dB40-) فقط 01/0 % شدت ابتدایی است.

ترانسدوسرها (TRANSDUCERS)

یک ترانسدوسر وسیله ای است که می تواند یک نوع انرژی را به نوعی دیگر تبدیل کند. یک ترانسدوسر اولتراسونیک بکار می رود که علامت الکتریکی را به انرژی اولتراسونیک تبدیل کند, که بتواند به داخل بافت منتقل شود, و انرژی اولتراسونیک منعکس شونده از بدن را دوباره به علامت الکتریکی بدل نماید.

ترکیب کلی یک ترانسدوسر اولتراسونیک در شکل 5-20 نشان داده شده است. مهمترین جزء آن یک عنصر بلوری پیزوالکتریک (Piezoelectric) نازک (تقریباً mm 5/0) است که نزدیک سر ترانسدوسر قرار دارد. جلو و عقب بلور با یک لایه نازک هادی پوشیده شده است تا یک تماس خوبی را با دو الکترود که میدان الکتریکی تدارک می‌کنند تا بلور را تحت فشار درآورد تأمین کند. واژه «فشار» اشاره به تغییر شکل بلور دارد که وقتی ولتاژ به آن داده می‌شود ایجاد می‌گردد. سطحهای بلور با الکترودهایی از طلا یا نقره پوشش یافته. الکترود خارجی به زمین متصل است تا بیمار را از شوک الکتریکی محافظت کند و سطح خارجی آن با یک عایق الکتریکی بدون منفذ پوشیده شده است. الکترود داخلی به یک قطعه ضخیم پشتی تکیه دارد که امواج برگشتی صوتی را که به ترانسدوسر منتقل می‌شود جذب می‌کند. محفظه معمولاً یک پلاستیک محکم است. یک عایق صوتی لاستیک یا چوب پنبه از عبور صوت به داخل محفظه جلوگیری می‌کند. گونه های بسیار ترانسدوسر از نظر اندازه و شکل وجود دارد که کارهای ویژه ای را انجام می دهند, ولی همه این طرح کلی را دارند.

ویژگیهای بلورهای پیزوالکتریک

بعضی از مواد چنانند که برقراری میدان الکتریکی بر آنها با تغییر ابعاد فیزیکی آنها همراه می‌شود و بالعکس. این را اثر «پیزو الکتریک» گویند که اولین بار بوسیلة پیر و ژاک کوری در سال 1880 بیان شد. مواد پیزو الکتریک از دوقطبیهای (dipoles) بی شمار که با طرح هندسی مرتب شده اند ساخته شده اند. یک دو قطبی الکتریکی یک ملکول کج شده است که به نظر می آید که یک سرش بار مثبت و در سر دیگر بار منفی دارد (شکل 6-20). انتهاهای مثبت و منفی طوری مرتب شده اند که یک میدان الکتریکی باعث می‌شود که آنها جهتشان دوباره سازی شود و به این ترتیب ابعاد بلور را تغییر دهند (شکل A 6-20). شکل تغییر قابل توجهی را در ضخامت نشان می‌دهد ولی عملاً, تغییر فقط چند میکرون است. ملاحظه کنید که جریانی از میان بلور عبور نمی‌کند. الکترودهای پوشاننده چون خازنها عمل می‌کنند و ولتاژ بین آنها است که ایجاد میدان الکتریکی می‌کند که به نوبة خود باعث می‌شود که بلور (crystal) شکلش تغییر کند. اگر ولتاژ با ضربانهای ناگهانی وارد شود, بلور مانند یک «سنج» که به آن ضربه خورده است و ایجاد صوت می‌کند, به ارتعاش درمی آید. قطعه پشتی بسرعت ارتعاشات را خفه می‌کند تا ترانسدوسر را برای کار دومش آماده نگاه دارد, که آن کشف پژواک (echo) برگشتی است.

در حالیکه ضربانهای صوتی از بدن عبور می‌کنند, اکوها از هر حد فاصل بافتی به طرف ترانسدوسر برمی گردند. این اکوها با خود انرژی دارند و انرژی خود را به ترانسدوسر می دهند که باعث انقباض فیزیکی عنصر بلوری می‌شود. این انقباض دوقطبیهای ریز را وادار می‌کندکه جهتشان را تغییر دهند و به این ترتیب یک ولتاژی بین الکترودها ایجاد می‌کنند. ولتاژ تقویت می‌شود و به صورت علامت اولتراسونیک برای نمایش روی نمایشگر اسیلوسکوپ و یا تلویزیون درمی آید. در حاشیه, نیروی انقباض و ولتاژ همراه آن مسئول نام پیزو الکتریک می باشند که معنی آن الکتریسیته «فشاری» است.

بعضی مواد موجود در طبیعت خواص پیزو الکتریک دارند (مانند کوارتز), ولی بیشتر بلورها که در اولتراسوند پزشکی بکار می روند ساخت انسان می باشند. این گروه مواد پیزوالکتریک مصنوعی را فروالکتریکها (ferroelectrics) گویند, که انواع بسیاری از آن وجود دارد. تیتانات باریم (Barium Titanats) از اولین فروالکتریکهای سفالین (ceramic) بود که کشف شد. آن عمدتاً بوسیلة زیرکونات تیتانات سرب (Lead zirconate titanate) که عموماً آن را PTZ می شناسند جایگزین شده است. چند نی نوع PTZ موجودند که با تغییرات مختصر اضافات شیمیایی و تغییرات حرارت دادن بدست آمده و خواص مختلف دارند.

امتیاز مهم سفالینهای پیزو الکتریک این است که, بسته به مورد استعمالشان می توانند به اشکال مختلف درآیند. بلورهای پیزو الکتریک را می توان طوری طرح ریزی کرد که یا در حالت ضخامت یا در حالت شعاعی به ارتعاش درآیند (شکل 7-20). بلورهای پزشکی طوری طراحی شده اند که در حالت ضخامت مرتعش شوند. با اینهمه, هنوز به مقدار کم در حالت شعاعی مرتعش می شوند, بنابراین, تقویت کننده گیرنده طوری میزان شده است که تمام فرکانسها را جز آنهایی که در حالت ضخامت هستند رد کند.

حرارت کوری: بلورهای سفالین از دو قطبیهای بیشمار ریز ساخته شده اند ولی, برای بدست آوردن ویژگیهای پیزوالکتریک, دوقطبیها باید به شکل هندسی مخصوصی مرتب شوند. برای بدست آمدن اینگونه قطبی شدن (Polarization) سفالینه در میدان الکتریکی قوی تا حرارت بالایی گرم می‌شود. در حرارت بالا, دوقطبیها آزادند که حرکت کنند و میدان الکتریکی آنها را در امتداد دلخواه درمی آورد. بلور در اینحال, در حالیکه تحت ولتاژ بالای ثابت است بتدریج سرد می‌شود. وقتی به حرارت اطاق رسید, دوقطبیها ثابت می شوند, و بلور سپس خاصیت پیزوالکتریک بدست می آورد. حرارت کوری حرارتی است که در آن این قطبی شدن از بین می رود. گرم کردن یک بلور پیزوالکتریک در بالای حرارت کوری آن را به یک قطعه سفالینه بی مصرف تبدیل می‌کند, بنابراین مسلماً ترانسدوسر هرگز نباید در اتوکلاو گذاشته شود. حرارت تقریبی کوری برای چند بلور بشرح زیر است:

 

573	کوارتز
100	تیتانات باریم
328	PZT-4
365	PZT-5A

 

فرکانس تشدید (Resonant Frequency) : یک ترانسدوسر اولتراسوند طوری طراحی می‌شود که حداکثر حساسیت رابه فرکانس طبیعی مخصوصی داشته باشد. ضخامت بلور پیزوالکتریک فرکانس طبیعی آن را تعیین می‌کند, که به آن «فرکانس تشدید» گویند. ضخامت بلور مرادف طول لوله در وسیله موسیقی بادی است. همانطور که لوله طویل صدای قابل شنیدن بم ایجاد می‌کند, بلور ضخیم ایجاد اولتراسوند کم فرکانس می‌کند. سطوح بلور پیزوالکتریک مانند دو سنج یکسان, که روبروی هم قرار گرفته اند ولی بوسیله هوا از هم جدا هستند عمل می‌کنند. وقتی یک سنج ضربه بخورد, ارتعاشات آن امواج صوتی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود سنج دیگر به ارتعاش درآید. ارتعاشات سنج دوم وقتی حداکثرند فضایی که دو سنج را از هم جدا کرده است برابر نصف طول موج صوت باشد. در این فاصله امواج صوتی از ارتعاشات دو سنج کاملاً همزمانند. صدا از یکی ارتعاشات دیگری را تقویت می‌کند. یک بلور مرتعش پیزوالکتریک صدا را از هر دو جهت از هر سطح منتقل می‌کند. امواج منتقل شونده داخلی, درست مانند دو سنج در مثال ما, از ترانسدوسر عبور می‌کند تا با ارتعاشات طرف دیگر همزمان شوند. وقتی یک بلور با یک ضربان یگانه تیز ولتاژ الکتریکی ضربه بخورد, با فرکانس طبیعیش مرتعش می‌شود که فرکانس بوسیله ضخامتش تعیین می‌شود. فرکانس طبیعی آن است که