مقاله کامل امواج اولتراسوند

امواج اولتراسوند
تعریف امواج فراصوت
ultrasound از ultra به معنی ماورا و نیز sound به معنی صوت یا صدا گرفته شده‌است. امواج فراصوت به شکلی از انرژی از امواج مکانیکی گفته می‌شود 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 می‌کند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی، ماده منتقل نمی‌شود. اگر ارتعاش ذرات در جهت عمود بر انتشار صوت باشد، موج عرضی است که بیشتر در جامدات رخ می‌دهد 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.
اين امواج از ويژگيهاي ذکر شده در ذيل برخوردارند :
1-   موج با فرکانس بالاتر داراي طول موج کوتاه تر است. اين بدان معناست که تفرق بآساني اتفاق نمي افتد. اگر بخواهيم شعاع مستقيم و در يک جهت ثابت و متمرکز از موج تشکيل دهيم با موج اولتراسوند راحت تر به نتيجه مي رسيم تا صوت معمولي.
2-   امواج اولتراسوند براحتي از ديوار هاي فلزي يک ساختمان عبور مي کنند. اين بدان معناست که در کاربردهاي نظير اندازه گيري سطح سوخت مايع در يک تانک سيستم اندازه گيري را مي توان در خارج از تانک نيز نصب کرد.
سنسورهاي اولتراسونيك
امواج صوتي با فركانس‌هاي بالاتر از فركانس شنوايي ( امواج التراسونيك) را مي‌فرستند و امواج بازگشتي را دريافت مي‌كنند. از تاخير زماني و سرعت صوت در هوا براي تعريف فاصله از هدف استفاده مي‌كنند و همچنين مي‌توان تنها براي تشخيص هدف و وجود يا عدم وجود آن مورد استفاده قرار گيرد.
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 کشتی‌هایش توسط زیردریاییهای کشور آلمان در اقیانوس آتلانتیک شمالی دستگاه کشف کننده زیردریایی‌ها به کمک امواج صوتی به نام صوت‌یاب (Sonar) ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید می‌کرد که در پید اکردن مسیر کشتیها استفاده می‌شد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها بطور گسترده‌ای در صنعت این کشور برای آشکار سازی شکافها در فلزات و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت صوت‌یاب به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید.
جزئيات سنسورهاي التراسونيك
بخش‌هاي مختلف سنسورهاي التراسونيك:
مولد ولتاژ بالا
مبدل پيزوالکتريک (فرستنده و گيرنده)
طبقه پردازش سيگنال
طبقه خروجي
سنسور التراسونيک توسط مولد ولتاژ بالا (1) تحريک مي شود, مبدل (فرستنده – گيرنده)(2) يک موج التراسونيک پالسي توليد مي کند ( اين موج با توجه به نوع فراورده يا کالا 200 تا 500 کيلو هرتز است.) که از طريق هواي اطراف با سرعت صوت حرکت مي کند. وقتي موج به يک شيئ برخورد مي کند منعکس شده و به سمت مبدل برمي گردد.
يک ميکروکنترولر سيگنال دريافت
شده را آناليز مي کند(3) و فاصله زماني بين فرستادن سيگنال و انعکاس آن را اندازه گيري مي کند. سپس با مقايسه اين زمان با زمان هاي از پيش تنظيم شده, حالت هاي خروجي را تعريف و کنترل مي کند.(4)
طبقه خروجي (4) يک دابل سويچ حالت جامد
(ترانزيستور NPN و PNP ) وابسته به يک
کنتاکت Normally Open را کنترل مي کند.
روشهای تولید امواج فراصوت
روش پیزوالکتریسیته
تأثیر متقابل فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته می‌گویند. بطور مثال بلورهایی وجود دارند که در اثر فشار مکانیکی، نیروی الکتریکی تولید می‌کنند و برعکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همین راستا باعث فشردگی و انبساط آنها می‌شود که ادامه دادن به این فشردگی و انبساط باعث نوسان و تولید امواج می‌شود. مواد (بلورهای) دارای این ویژگی را مواد پیزو الکتریک می‌گویند. اثر پیزو الکتریسیته فقط در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند، وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین ماده‌ای بود که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفاده می‌شد که اکنون هم استفاده می‌شود.
اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خاصیت پیزو الکتریسیته باشند، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستالهایی استفاده می‌شود که سرامیکی بوده و بطور مصنوعی تهیه می‌شوند. 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 واسطه‌ای برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس هستند، مبدل یا ترانسدیوسر (transuscer) می‌گویند. یک ترانسدیوسر فراصوتی بکار می‌رود 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 قطبی‌های مغناطیسی کوچک بطور خود به خود با دو قطبی‌های مجاور خود همخط شوند) تحت تأثیر میدان مغناطیسی بوجود می‌آید. مواد مزبور در این میدانها تغییر طول می‌دهند و بسته به فرکانس (شمارش زنشهای کامل موج در یک ثانیه) جریان متناوب به نوسان در می‌آیند و می‌توانند 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 يك موج فرا صوتي از سطح بين دو ماده كه داراي مشخصات بازتابش متفاوتي هستند با زاويه مورب عبور ‌كند، بخشي از آن بازتابيده شده و بخشي شكسته مي‌شود.
11قانون Snell رابطه بين زاويه
و سرعت امواج را توصيف مي‌كند.
مزاياي سنسورهاي التراسونيك
مي‌توانند انواع بيشتري از اشياء را در مقايسه با ديگر سنسورهاي مجاورتي detect كنند.
براي تشخيص فاصله‌ها بسيار كارامدند.
نسبت به سنسورهاي خازني و القايي رنج بزرگتري دارند.
در شرايط ناملايم و خشن نيز مي‌توانند عمل كنند.
پاسخ زماني سريع
عمر عملي طولاني
كاربرد سنسورهاي التراسونيك
اندازه گيري زاويه (Angular Measurement)
مسافت‌يابي ( Ranging)
تستهاي غير مخرب ( Non Destructive Test)
اندازه‌گيري جريان ( Flow Metering)
كاردبرد در پزشكي
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 آورده‌است.
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. بیماری‌های قلبی (cardology) مانند بررسی اکوکار دیوگرافی.
۷. دندانپزشکی مانند اندازه‌گیری ضخامت بافت نرم در حفره‌های دهانی.
۸. این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمی‌کنند. بنابراین برای زنان و کودکان بی‌خطر هستند.
۹. کاربرد درمانی (سونوتراپی) :در فیزیوتراپی جهت کاهش درد و التهاب و همچنین انعطاف پذیری بافت ها از اولترا سوند استفاده می‌گردد.
۱۰. کاربرد گرمایی
با جذب امواج فراصوت به‌وسیله بدن بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل می‌شود. گرمای موضعی حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودی را تسریع می‌کند. قابلیت کشسانی کلاژن (پروتئینی ارتجاعی) را افزایش می‌دهد. کشش در جوشگاههای زخم (scars) افزایش می‌دهد و باعث بهبود آنها می‌شود. اگر اسکار به بافتهای زیرین خود چسبیده باشد، باعث آزاد شدن آنها می‌شود. 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 می‌گذارند و باعث جابجایی آب میان بافتی و در نتیجه باعث کاهش ورم (تجمع آب میان بافتی در اثر ضربه به یک محل) می‌شوند.
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 می‌رود.
درمان ورم کهنه یا مزمن: فراصوت چسبندگیهایی که میان ساختمانهای مجاور ممکن است ایجاد شود را می‌شکند.
خطرات فراصوت
سوختگی
اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی می‌شود 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 می‌دهد.
ایجاد حفره
یکی از عوامل کاهش انرژی امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهای بدن ایجاد حفره یا کاویتاسیون است. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظه‌ای حبابهای گاز غیر قابل دیدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهای امواج اولتراسوند در داخل محلولها می‌تواند بر روی بافتها تغییرات بیولوژیکی ایجاد کند (پارگی در دیواره یاخته‌ها و از هم گسستن مولکولهای بزرگ .
درمان سرطان با اولتراسوند
حمله اولتراسوند به بافت هاي سرطاني
سرطان به رشد كنترل نشده ي سلول هاي بخشي از بدن گفته مي شود.اين بيماري از سال ها پيش گريبانگير بشر بوده است.در طي اين سالها نظريه هاي متفاوتي در ارتباط با بيان علت ايجاد سرطان و روش هاي درمان اين بيماري ارائه شده است.در سال هاي اخير تعداد بيماران سرطاني به سرعت افزايش يافته و از طرف ديگر روش هاي درماني جديد درصد موفقيت درمان را بهبود بخشيده است.اين درمان ها در جهت اطمينان بيشتردردرمان،آسيب كمتر به بافت هاي سالم اطراف و كاهش احتمال بازگشت بيماري پيش رفته اند.‏
امروزه روش هاي رايج درمان سرطان جراحي ، راديوتراپي و شيمي درماني هستند . اين روش ها يا به صورت جداگانه و يا به صورت تركيبي براي درمان سرطان در مراحل گوناگون پيشرفت بيماري مورد استفاده قرار مي گيرند . اين سه روش تهاجمي بوده و معمولا تكرار پذير نيستند و همچنين عوارض
جانبي زيادي دارند . يكي از روش هاي جديد براي درمان سرطان استفاده از امواج اولتراسوند كانوني با شدت بالاست .علت استفاده از امواج اولتراسوند در اين متد توانايي عبور اولتراسوند از بافت بدون آسيب رساندن به آن مي باشد.بنابراين اين نوع درمان غير تهاجمي بوده ومعمولا روي پوست تحت تابش و بافت هاي مياني ديگرتخريب كمي ايجاد مي كند .
تعريف ‏HIFU‏ : (اولتراسوند كانوني با شدت بالا ) ‏امواج اولترا سوند با شدت بيشتر از ‏cm2‎‏ /‏watt‏  5 را امواج اولتراسوند باشدت بالامي گويند. اساس كار ‏HIFU‏  مانند اولتراسوند معمولي است‏‎ HIFU.‎مي تواند بدون آسيب رساندن به بافت از ميان آن عبور كند ولي اگر پرتوي اولتراسوند انرژي كافي داشته باشد ودر يك نقطه كوچك متمركز گردد،انرژي كه در آن حجم كانوني وجود دارد ميتواند دما را تا حدي كه باعث نكروز انعقادي بافت شود بالا ببرد.در واقع ‏HIFU‏   اين قابليت را دارد كه در يك حجم دقيقا تعيين شده ،در فواصل گوناگون مبدل (‏Transducer‏) از بافت به وسيله اثر گرمايي يا ‏Cavitation‏(كاويتاسيون)،نكروز سلولي ايجاد كند. اين بافت نكروز شده،اصطلاحا ‏Lesion‏ ناميده ميشود،اين پديده به گونه اي رخ ميدهد كه دربافت هاي اطراف،كمترين آسيب ايجاد مي شود. در واقع مكانيزم عمل اين امواج يا با توليد حفره هاي صوتي (حباب هاي ميكروسكوپي هوا)همراه است كه به تخريب ومرگ سلولهاي سرطاني منجر ميشود و يا با افزايش درجه حرارات بالاتر از حد آستانه اي ،منجر به مرگ سلولهاي بافتي ميشود.‏HIFU‏ يكي از روش هاي مناسب براي درمان به روش هايپرترمي است . در روشهاي هايپرترمي براي ايجاد نكروز سلولي دما را به مدت 60 دقيقه درمحدوده ي
43-42 * درجه سانتيگراد ثابت نگه مي دارند،ولي با استفاده از ‏HIFU‏ مي توان دما را درمدت زمان بسيار كوتاه (چند ثانيه) تا حتي بالاتر از حد آستانه براي ايجاد همان اثرافزايش داد وبه خاطر همين زمان كوتاه جريان خون كمترين اثر را در كاهش دماي منطقه كانوني گذاشته و درمان را مطمئن ترمي سازد.احتمال آسيب رسيدن به بافت هاي سالم نيز كاهش مي يابد.‏
استفاده از ‏HIFU‏ در درمان با نام هاي جراحي با اولتراسوند كانوني (‏FUS‏) تخريب سلولي با اولتراسوند ‏Ultrasound Ablation)‎‏) و ‏Pyrotherapy‏ نيز شناخته مي شود.
اولتراسوند تشخيصي ‏MRI ,  real – time
هنگامي كه از اولتراسوند براي هدايت درمان استفاده مي شود دو ترانسديوسر تشخيصي و درماني روي يكديگر به گونه اي ثابت شده اند كه كانون هايشان روي هم قرار گيرد . پس از رديابي مكان تومور به وسيله ي ترانسديوسر تشخيصي درمان با ترانسديوسر درماني آغازمي شود .تمام مراحل درمان در تصاوير تشخيصي بصورت مقياس خاكستري (‏gray  scale‏) قابل مشاهده است .
‏MRI‏  از تصاويري با كيفيت بالا برخوردار بوده اما قيمت آن بيشتر است . ايجاد ارتباط بين تصاوير ‏MR ‎با اولتر اسوند كانوني نيز كند و پيچيده تر از تصويربرداري با اولتراسوند است . اولتراسوند  تشخيصي مزاياي ارزان بودن و در دسترس بودن را دارد و همچنين مدت زمان درمان به كمك آن كوتاه تر است. ايراد اين سيستم اين است كه كيفيت تصوير ممكن است كمتر از حد اپيتم باشد .اولتراسوند تشخيصي در بخش هايي كه استخوان يا احشاء پرشده از هوا وجود دارند دچار مشكل مي شود . البته اين مشكل مي تواند يك مزيت براي سيستم باشد به گونه اي كه از تابش اولتراسوند درماني به اين مناطق جلوگيري مي شود.
ديگر روش هاي تصوير برداري براي درمان با ‏HIFU‏  مانند الاستوگرافي (‏MRE‏) در حال گسترش هستند ولي هيچ كدام هنوز مورد استفاده كلينيكي قرار نگرفته اند .

فایل : 13 صفحه

فرمت : Word