امواج اولتراسوند

فهرست مطالب

* امواج اولتراسوند 1
* تعریف امواج فراصوت 1
* سنسورهای اولتراسونیک 2
* تاریخچه 3
* جزئیات سنسورهای التراسونیک 3
* روشهای تولید امواج فراصوت 4
* روش مگنتو استریکسیون 5
* مزایای سنسورهای التراسونیک 5
* کاربرد سنسورهای التراسونیک 5
* سونوگرافی 6
* کاربرد امواج فراصوت 6
* خطرات فراصوت 8
* درمان سرطان با اولتراسوند 8
* اولتراسوند تشخیصی ‏MRI , real – time 10
* اولتراسوند سه بعدی 10
* محدودیت ها 12
* منابع 12

امواج اولتراسوند
تعریف امواج فراصوت
ultrasound از ultra به معنی ماورا و نیز sound به معنی صوت یا صدا گرفته شده است. امواج فراصوت به شکلی از انرژی از امواج مکانیکی گفته می شود که فرکانس آنها بالاتر از حد شنوایی انسان باشد. گوش انسان قادر است امواج بین ۲۰ هرتز تا ۲۰۰۰۰ هرتز را بشنود. هر موج (شنوایی یا فراصوت) یک آشفتگی مکانیکی در یک محیط گاز، مایع و یا جامد است که به بیرون از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت می کند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی، ماده منتقل نمی شود. اگر ارتعاش ذرات در جهت عمود بر انتشار صوت باشد، موج عرضی است که بیشتر در جامدات رخ می دهد و در صورتی که ارتعاش در راستای انتشار امواج باشد، موج طولی است. انتشار در بافتهای بدن به صورت امواج طولی است. از این رو در پزشکی با اینگونه امواج سر و کار داریم.
این امواج از ویژگیهای ذکر شده در ذیل برخوردارند :
1- موج با فرکانس بالاتر دارای طول موج کوتاه تر است. این بدان معناست که تفرق بآسانی اتفاق نمی افتد. اگر بخواهیم شعاع مستقیم و در یک جهت ثابت و متمرکز از موج تشکیل دهیم با موج اولتراسوند راحت تر به نتیجه می رسیم تا صوت معمولی.
2- امواج اولتراسوند براحتی از دیوار های فلزی یک ساختمان عبور می کنند. این بدان معناست که در کاربردهای نظیر اندازه گیری سطح سوخت مایع در یک تانک سیستم اندازه گیری را می توان در خارج از تانک نیز نصب کرد.

سنسورهای اولتراسونیک

امواج صوتی با فرکانس های بالاتر از فرکانس شنوایی ( امواج التراسونیک) را می فرستند و امواج بازگشتی را دریافت می کنند. از تاخیر زمانی و سرعت صوت در هوا برای تعریف فاصله از هدف استفاده می کنند و همچنین می توان تنها برای تشخیص هدف و وجود یا عدم وجود آن مورد استفاده قرار گیرد.

تاریخچه
در سال ۱۸۷۶ میلادی، فرانسیس گالتون برای اولین بار پی بوجود امواج فراصوت برد. در زمان جنگ جهانی اول کشور انگلستان برای کمک به جلوگیری از غرق شدن غم انگیز کشتی هایش توسط زیردریاییهای کشور آلمان در اقیانوس آتلانتیک شمالی دستگاه کشف کننده زیردریایی ها به کمک امواج صوتی به نام صوت یاب (Sonar) ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید می کرد که در پید اکردن مسیر کشتیها استفاده می شد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها بطور گسترده ای در صنعت این کشور برای آشکار سازی شکافها در فلزات و سایر موارد مورد استفاده قرار می گرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت صوت یاب به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید.
جزئیات سنسورهای التراسونیک
بخش های مختلف سنسورهای التراسونیک:
1. مولد ولتاژ بالا
2. مبدل پیزوالکتریک (فرستنده و گیرنده)
3. طبقه پردازش سیگنال
4. طبقه خروجی
سنسور التراسونیک توسط مولد ولتاژ بالا (1) تحریک می شود, مبدل (فرستنده – گیرنده)(2) یک موج التراسونیک پالسی تولید می کند ( این موج با توجه به نوع فراورده یا کالا 200 تا 500 کیلو هرتز است.) که از طریق هوای اطراف با سرعت صوت حرکت می کند. وقتی موج به یک شیئ برخورد می کند منعکس شده و به سمت مبدل برمی گردد.
یک میکروکنترولر سیگنال دریافت شده را آنالیز می کند(3) و فاصله زمانی بین فرستادن سیگنال و انعکاس آن را اندازه گیری می کند. سپس با مقایسه این زمان با زمان های از پیش تنظیم شده, حالت های خروجی را تعریف و کنترل می کند.(4)
طبقه خروجی (4) یک دابل سویچ حالت جامد
(ترانزیستور NPN و PNP ) وابسته به یک
کنتاکت Normally Open را کنترل می کند.
روشهای تولید امواج فراصوت
روش پیزوالکتریسیته
تاثیر متقابل فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته می گویند. بطور مثال بلورهایی وجود دارند که در اثر فشار مکانیکی، نیروی الکتریکی تولید می کنند و برعکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همین راستا باعث فشردگی و انبساط آنها می شود که ادامه دادن به این فشردگی و انبساط باعث نوسان و تولید امواج می شود. مواد (بلورهای) دارای این ویژگی را مواد پیزو الکتریک می گویند. اثر پیزو الکتریسیته فقط در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند، وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین ماده ای بود که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفاده می شد که اکنون هم استفاده می شود.
اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خاصیت پیزو الکتریسیته باشند، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستالهایی استفاده می شود که سرامیکی بوده و بطور مصنوعی تهیه می شوند. از نمونه این نوع کریستالها، مخلوطی از زیرکونیت و تیتانیت سرب (Lead zirconat & Lead titanat) است که به شدت دارای خاصیت پیزوالکتریسیته هستند. به این مواد که واسطه ای برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس هستند، مبدل یا ترانسدیوسر (transuscer) می گویند. یک ترانسدیوسر فراصوتی بکار می رود که علامت الکتریکی را به انرژی فراصوت تبدیل کند که به داخل بافت بدن نفوذ و انرژی فراصوت انعکاس یافته را به علامت الکتریکی تبدیل کند.

روش مگنتو استریکسیون
این خاصیت در مواد فرومغناطیس (مواد دارای دو قطبی های مغناطیسی کوچک بطور خود به خود با دو قطبی های مجاور خود همخط شوند) تحت تاثیر میدان مغناطیسی بوجود می آید. مواد مزبور در این میدانها تغییر طول می دهند و بسته به فرکانس (شمارش زنشهای کامل موج در یک ثانیه) جریان متناوب به نوسان در می آیند و می توانند امواج فراصوت تولید کنند. این مواد در پزشکی کاربرد ندارند و شدت امواج تولید شده به این روش کم است و بیشتر کاربرد آزمایشگاهی دارد.

بازتابش و قانون Snell
اگر یک موج فرا صوتی از سطح بین دو ماده که دارای مشخصات بازتابش متفاوتی هستند با زاویه مورب عبور کند، بخشی از آن بازتابیده شده و بخشی شکسته می شود.
11قانون Snell رابطه بین زاویه
و سرعت امواج را توصیف می کند.

مزایای سنسورهای التراسونیک
می توانند انواع بیشتری از اشیاء را در مقایسه با دیگر سنسورهای مجاورتی detect کنند.
برای تشخیص فاصله ها بسیار کارامدند.
نسبت به سنسورهای خازنی و القایی رنج بزرگتری دارند.
در شرایط ناملایم و خشن نیز می توانند عمل کنند.
پاسخ زمانی سریع
عمر عملی طولانی
کاربرد سنسورهای التراسونیک
اندازه گیری زاویه (Angular Measurement)
مسافت یابی ( Ranging)
تستهای غیر مخرب ( Non Destructive Test)
اندازه گیری جریان ( Flow Metering)
کاردبرد در پزشکی

سونوگرافی
ریشه لغوی
کلمه سونوگرافی از لفظ لاتین sono به معنی صوت و نیز graphic به معنی شکل و ترسیم گرفته شده و
سیر تحولی در رشد
نخستین دستگاه تولید کننده امواج فراصوت در پزشکی، در سال ۱۹۳۷ میلادی توسط دوسیک اختراع شد و روی مغز انسان امتحان شد. اگر چه فراصوت در ابتدا فقط برای مشخص کردن خط وسط مغز بود، اکنون بصورت یک روش تشخیصی و درمانی مهم در آمده و پیشرفت روز به روز انواع نسلهای دستگاههای تولید فراصوت، تحولات عظیمی در تشخیص و درمان در علم پزشکی بوجود آورده است.
کاربرد امواج فراصوت
۱. کاربرد تشخیصی (سونوگرافی)
۲. بیماریهای زنان و زایمان (Gynocology) مانند بررسی قلب جنین، اندازه گیری قطر سر (سن جنین)، بررسی جایگاه اتصال جفت و محل ناف، تومورهای پستان.
۳. بیماریهای مغز و اعصاب (Neurology) مانند بررسی تومور مغزی، خونریزی مغزی به صورت اکوگرام مغزی یا اکوانسفالوگرافی.
۴. بیماریهای چشم (ophthalmalogy) مانند تشخیص اجسام خارجی در درون چشم، تومور عصبی، خونریزی شبکیه، اندازه گیری قطر چشم، فاصله عدسی از شبکیه.
۵. بیماریهای کبدی (Hepatic) مانند بررسی کیست و آبسه کبدی.
۶. بیماری های قلبی (cardology) مانند بررسی اکوکار دیوگرافی.
۷. دندانپزشکی مانند اندازه گیری ضخامت بافت نرم در حفره های دهانی.
۸. این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمی کنند. بنابراین برای زنان و کودکان بی خطر هستند.
۹. کاربرد درمانی (سونوتراپی) :در فیزیوتراپی جهت کاهش درد و التهاب و همچنین انعطاف پذیری بافت ها از اولترا سوند استفاده می گردد.
۱۰. کاربرد گرمایی
با جذب امواج فراصوت به وسیله بدن بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل می شود. گرمای موضعی حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودی را تسریع می کند. قابلیت کشسانی کلاژن (پروتئینی ارتجاعی) را افزایش می دهد. کشش در جوشگاههای زخم (scars) افزایش می دهد و باعث بهبود آنها می شود. اگر اسکار به بافتهای زیرین خود چسبیده باشد، باعث آزاد شدن آنها می شود. گرمای حاصل از امواج فراصوت با گرمای حاصل از گرمایش متفاوت است.
میکروماساژ مکانیکی
به هنگام فشردگی و انبساط محیط، امواج طولی فراصوتی روی بافت اثر می گذارند و باعث جابجایی آب میان بافتی و در نتیجه باعث کاهش ورم (تجمع آب میان بافتی در اثر ضربه به یک محل) می شوند.
درمان آسیب تازه و ورم :آسیب تازه معمولاً با ورم همراه است. فراصوت در بسیاری از موارد برای از بین بردن مواد دفعی در اثر ضربه و کاهش خطر چسبندگی بافتها بهم بکار می رود.
درمان ورم کهنه یا مزمن: فراصوت چسبندگیهایی که میان ساختمانهای مجاور ممکن است ایجاد شود را می شکند.

خطرات فراصوت
سوختگی
اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی می شود و باید امواج حرکت داده شوند.
پارگی کروموزومی
استفاده دراز مدت از امواج اولتراسوند با شدت خیلی بالا پارگی در رشته دی ان ای (DNA) را نشان می دهد.
ایجاد حفره
یکی از عوامل کاهش انرژی امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهای بدن ایجاد حفره یا کاویتاسیون است. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظه ای حبابهای گاز غیر قابل دیدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهای امواج اولتراسوند در داخل محلولها می تواند بر روی بافتها تغییرات بیولوژیکی ایجاد کند (پارگی در دیواره یاخته ها و از هم گسستن مولکولهای بزرگ .
درمان سرطان با اولتراسوند
حمله اولتراسوند به بافت های سرطانی
سرطان به رشد کنترل نشده ی سلول های بخشی از بدن گفته می شود.این بیماری از سال ها پیش گریبانگیر بشر بوده است.در طی این سالها نظریه های متفاوتی در ارتباط با بیان علت ایجاد سرطان و روش های درمان این بیماری ارائه شده است.در سال های اخیر تعداد بیماران سرطانی به سرعت افزایش یافته و از طرف دیگر روش های درمانی جدید درصد موفقیت درمان را بهبود بخشیده است.این درمان ها در جهت اطمینان بیشتردردرمان،آسیب کمتر به بافت های سالم اطراف و کاهش احتمال بازگشت بیماری پیش رفته اند.‏
امروزه روش های رایج درمان سرطان جراحی ، رادیوتراپی و شیمی درمانی هستند . این روش ها یا به صورت جداگانه و یا به صورت ترکیبی برای درمان سرطان در مراحل گوناگون پیشرفت بیماری مورد استفاده قرار می گیرند . این سه روش تهاجمی بوده و معمولا تکرار پذیر نیستند و همچنین عوارض جانبی زیادی دارند . یکی از روش های جدید برای درمان سرطان استفاده از امواج اولتراسوند کانونی با شدت بالاست .علت استفاده از امواج اولتراسوند در این متد توانایی عبور اولتراسوند از بافت بدون آسیب رساندن به آن می باشد.بنابراین این نوع درمان غیر تهاجمی بوده ومعمولا روی پوست تحت تابش و بافت های میانی دیگرتخریب کمی ایجاد می کند .

تعریف ‏HIFU‏ : (اولتراسوند کانونی با شدت بالا ) ‏امواج اولترا سوند با شدت بیشتر از ‏cm2‎‏ /‏watt‏ 5 را امواج اولتراسوند باشدت بالامی گویند. اساس کار ‏HIFU‏ مانند اولتراسوند معمولی است‏‎ HIFU.‎می تواند بدون آسیب رساندن به بافت از میان آن عبور کند ولی اگر پرتوی اولتراسوند انرژی کافی داشته باشد ودر یک نقطه کوچک متمرکز گردد،انرژی که در آن حجم کانونی وجود دارد میتواند دما را تا حدی که باعث نکروز انعقادی بافت شود بالا ببرد.در واقع ‏HIFU‏ این قابلیت را دارد که در یک حجم دقیقا تعیین شده ،در فواصل گوناگون مبدل (‏Transducer‏) از بافت به وسیله اثر گرمایی یا ‏Cavitation‏(کاویتاسیون)،نکروز سلولی ایجاد کند. این بافت نکروز شده،اصطلاحا ‏Lesion‏ نامیده میشود،این پدیده به گونه ای رخ میدهد که دربافت های اطراف،کمترین آسیب ایجاد می شود. در واقع مکانیزم عمل این امواج یا با تولید حفره های صوتی (حباب های میکروسکوپی هوا)همراه است که به تخریب ومرگ سلولهای سرطانی منجر میشود و یا با افزایش درجه حرارات بالاتر از حد آستانه ای ،منجر به مرگ سلولهای بافتی میشود.‏HIFU‏ یکی از روش های مناسب برای درمان به روش هایپرترمی است . در روشهای هایپرترمی برای ایجاد نکروز سلولی دما را به مدت 60 دقیقه درمحدوده ی 43-42 * درجه سانتیگراد ثابت نگه می دارند،ولی با استفاده از ‏HIFU‏ می توان دما را درمدت زمان بسیار کوتاه (چند ثانیه) تا حتی بالاتر از حد آستانه برای ایجاد همان اثرافزایش داد وبه خاطر همین زمان کوتاه جریان خون کمترین اثر را در کاهش دمای منطقه کانونی گذاشته و درمان را مطمئن ترمی سازد.احتمال آسیب رسیدن به بافت های سالم نیز کاهش می یابد.‏
استفاده از ‏HIFU‏ در درمان با نام های جراحی با اولتراسوند کانونی (‏FUS‏) تخریب سلولی با اولتراسوند ‏Ultrasound Ablation)‎‏) و ‏Pyrotherapy‏ نیز شناخته می شود.
اولتراسوند تشخیصی ‏MRI , real – time
هنگامی که از اولتراسوند برای هدایت درمان استفاده می شود دو ترانسدیوسر تشخیصی و درمانی روی یکدیگر به گونه ای ثابت شده اند که کانون هایشان روی هم قرار گیرد . پس از ردیابی مکان تومور به وسیله ی ترانسدیوسر تشخیصی درمان با ترانسدیوسر درمانی آغازمی شود .تمام مراحل درمان در تصاویر تشخیصی بصورت مقیاس خاکستری (‏gray scale‏) قابل مشاهده است .
‏MRI‏ از تصاویری با کیفیت بالا برخوردار بوده اما قیمت آن بیشتر است . ایجاد ارتباط بین تصاویر ‏MR ‎با اولتر اسوند کانونی نیز کند و پیچیده تر از تصویربرداری با اولتراسوند است . اولتراسوند تشخیصی مزایای ارزان بودن و در دسترس بودن را دارد و همچنین مدت زمان درمان به کمک آن کوتاه تر است. ایراد این سیستم این است که کیفیت تصویر ممکن است کمتر از حد اپیتم باشد .اولتراسوند تشخیصی در بخش هایی که استخوان یا احشاء پرشده از هوا وجود دارند دچار مشکل می شود . البته این مشکل می تواند یک مزیت برای سیستم باشد به گونه ای که از تابش اولتراسوند درمانی به این مناطق جلوگیری می شود.
دیگر روش های تصویر برداری برای درمان با ‏HIFU‏ مانند الاستوگرافی (‏MRE‏) در حال گسترش هستند ولی هیچ کدام هنوز مورد استفاده کلینیکی قرار نگرفته اند .

اولتراسوند سه بعدی
سیستم اولتراسوند سه بعدی که با استفاده از امواج فراصوتی و نرم افزار تصویری، تصاویر کاملاًواضح و روشن از جنین تهیه می نماید، می تواند در کنار تصاویر دو بعدی درهر مقطع زمانی از حاملگی، مورد استفاده قرار گیرد.
زمانیکه مشکلی در ارتباط با جنین توسط سیستم اولتراسوند دوبعدی تشخیص داده می شود و پزشک نیاز به تعیین و تشخیص اختلال دارد، تصاویر واضح و با جزئیات اولتراسوند سه بعدی در این باب بسیار ارزشمند می باشد. این تصاویر درهنگام رویت ابنورمالیهای مغز، ضایعه مادرزادی ستون فقرات و cleft tips / palates کام شکافته یا زبان شکافته، بسیار سودمند و ارزشمند می باشد.
تصاویر، به والدین منتظر کمک می کند تا متوجه ابنورمالیها گردند و بتوانند انتخاب درستی برای
فرزندشان داشته باشند ؛اما بهرحال این تکنولوژی به تازگی مسیر رشد و پیشرفت خود را آغاز کرده
است .
سیستم سه بعدی مشابه سیتم اولتراسوند دو بعدی، بدون درد و غیر تهاجمی است.امواج فراصوت ( که توسط انسان قابل شنیدن نیستند ) از بدن جنین انعکاس می یابد و تصویر حاصله یا سونوگرام حاصله از بدن بر صفحه مونیتور نمایش داده می شود.
برای انجام آزمون لازم است که پزشک مقداری ژل یا روغن در قسمتی از شکم که مورد تابش امواج فراصوتی قرار می گیرد، بمالند و آنگاه Transducer یا مبدل انرژی در آن قسمت قرار گرفته و جابجا
می شود. ترانسدیوسر امواج فراصوتی را به شکم و رحم و جنین موجود در آن هدایت می کند. سیستم سونوگرافی سه بعدی هیچگونه تابش یا اشعه x را شامل نمی گردد و برای مادر و فرزند بی خطر می باشد. سونوگرافی سه بعدی توسط پزشک متخصص مامایی و در بیمارستانهای تخصصی انجام می گیرد
علم و جنین به دنیا نیامده Science and the un born

زمانیکه دادگاه آمریکا به سقط جنین اعتبار قانونی در سال 1973 بخشید، زندگی جنینهای به دنیا نیامده در پرده ای از ابهام قرار گرفت. اما در این زمان پیشرفت های موجود در اولتراسوند (سونوگرفی) و جراحی های مربوط به جنین، دلایل به درد جنین و زنده ماندن نوزادان زودرس، توانست جنین به دنیا نیامده را به عنوان موجودی جدا از مادر معرفی نماید و قادر به نشان دادن و درمان آنها پیش از تولد گردید.
با وجود تصمیم ( The Roeu wade dicision ) the Roeu wade که وجود جنین را به عنوان انسان انکار می نمود، پیشرفت های علمی، توانست به سرعت این دیدگاه را به شکل نظریه غیر قابل دفاع در آورد.

محدودیت ها
یک ناحیه مرده (dead zone) در نزدیکی سطح سنسور وجود دارد که موجب می شود که سنسور نتواند اشیاء خیلی نزدیک را تشخیص دهد.
اشیاء خیلی کوچک را نمی توانند تشخیص دهند.( اندازه قابل تشخیص وابسته به طول موج می باشد).
سرعت وابسته است به ماده ( پارچه نخی، پنبه، اسفنج و غیره نیازمند فرکانس های کند هستند).
اشیائ سطح نرم باید به دقت تنظیم و هم تراز شوند در غیر اینصورت موج بازتابیده شده به سنسور نمی رسد.

منابع
‏‎High intensity focused ultrasound: surgery of the future?.British Journal of Radiology(2003)76,590-599
‎‎‎Therapeutic applications of ultrasound. Progress in Biophysics and Molecular Biology. Article in Press, Corrected Proof( 2006 )‎‎4) Contrast-agent-enhanced ultrasound thermal ablation. Ultrasound in Medicine & Biology Volume 32, Issue
www.theproductfinder.com/sensors/sensor.htm
(good source for info about how they work and lists of vendors)
www.ch.cutlerhammer.com/training/slfstudy/sensors/welcome.htm
(excellent website for more technical information about various types of sensor and their applications)
http://www.thomasregister.com/
(great source for finding vendors of a specific type of sensor)

1