تحقیق مقاله ماورا 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 دهه 1940 و اوایل دهه 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 بوسیله 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 محدوده 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 بوسیله 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.   

ترانسدوسر ها (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 بلور های 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 بوسیله 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 نوبه 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 بوسیله 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 ایجاد طول موجهای داخلی می‌کند که دو برابر ضخامت بلور می باشند.

بلور  طوری طراحی شده است که ضخامتش درست نصف طول موج اولتراسوندی باشد که بوسیله ترانسدوسر تولید می‌شود. می گویند بلور در فرکانسی که بوسیله ضخامتش تعیین می‌شود تشدید دارد (یعنی با بهترین کارآیی مرتعش می‌شود). فرکانسی که معادل نصف طول موج ضخامت است را «فرکانس تشدیدی پایه ای» ترانسدوسر گویند. به عنوان مثال بیایید فرکانس تشدیدی پایه ای بلور PZT-4 را که m 001/0 mm) 1( ضخامت دارد حساب کنیم. سرعت صوت (V) در PZT-4 برابر 4000 متر بر ثانیه است (جدول 1-20), و به ما گفته شده است که بلور در فرکانس  معادل دو برابر ضخامت بلور تشدید پیدا می‌کند (یعنی m   002/0 =  2= ). با گذاشتن این مقادیر در معادله ای که فرکانس, طول موج, و سرعت صوت را ارتباط می‌دهد, بدست می آوریم: 

 به این ترتیب, یک بلور پیزوالکتریک MHz 2 که از PZT-4 ساخته شده باشد ضخامت m 001/0 mm) 1( دارد. به همین ترتیب, یک بلور MHz 1 ضخامت m 002/0 دارد. ملاحظه کنید که چگونه بلورهایی که برای تشدید در فرکانسهای مگاهرتس بالا طرح ریزی شده اند باید بسیار نازک باشند.

یک بلور می تواند مجبور شود با فرکانس هر ولتاژ متناوب نوسان کند, ولی شدت این صوت خیلی کمتر از آن است که با ولتاژ مشابهی در فرکانس طبیعی بلور نوسان کند. در دستگاه اولتراسوند پزشکی, ترانسدوسر با فرکانس تشدید آن فعال می‌شود. یک مدار ویژه برای ایجاد ولتاژ نوسانی موجی که به الکترودهای بلور پیزوالکتریک داده می‌شود وجود دارد. فرکانس برون داده شده اولتراسوند شکل موجی ولتاژ را بازسازی می‌کند. فرکانس ولتاژ و فرکانس تشدید بلور به دقت منطبق شده اند. این واقعیت که بلورهای پیزوالکتریک فرکانس طبیعی دارند دارای اهمیت عملی است. با یک دستگاه رادیولوژی, طول موج, با کیلو ولت, را می توان به سادگی با پیچاندن چند تکمه در میز تنظیم, میزان کرد. ما این آزادی را با تصویرسازی اولتراسوند نداریم. تغییر یک فرکانس نیاز به ترانسدوسر دیگری دارد, که برای آن فرکانس مورد نظر طراحی شده باشد. فقط چند اندازه و فرکانس مختلف برای انجام بیشتر مقاصد بالینی مورد نیاز است, که خیلی موجب خوشوقتی است, زیرا ترانسدوسرها بالنسبه گرانند.

عامل Q در ترانسدوسر: عامل Q اشاره به دو خاصیت بلور پیزو الکتریک دارد. خلوص صوت آنها و طول زمانی که صوت می ماند. یک ترانسدوسر با Q یِ بالا صوت تقریباً خالص که از محدوده باریک فرانسها تشدید شده ایجاد می‌کند, درحالیکه یک ترانسدوسر با Q یِ پایین طیف کامل صوتی را که یک محدوده گسترده تر حاوی فرکانسهای مختلف است دارد. تقریباً تمام امواج صوتی داخلی یک ترانسدوسر با Q یِ بالا دارای طول موج مناسبی هستند تا ارتعاشات داخل بلور را تقویت کنند. وقتی که یک بلور نامناسب دارای Q یِ بالا (یعنی یک بلور بدون قطعه پشتی) با ولتاژ کوتاه ضربانی ضربه بخورد, برای مدت درازی به نوسان درمی آید و ایجاد صوت مداوم طویل می‌کند. حد فاصل بین شروع صوت و قطع کامل ارتعاشات را «زمان نزول» (Ring down-time)  گویند. شکل 8-20 زمان نزول را برای بلورهای با Q یِ بالا و Q یِ پایین نشان می‌دهد.

عامل Q را همچنین می توان از راه ریاضی برحسب خلوص صوت تعریف کرد. در نتیجه ضربه الکتریکی ناگهانی, یک ترانسدوسر در فرکانس تشدیدش نوسان می‌کند, ولی امواج صوتی در بالا و پایین فرکانس تشدیدش نیز بوجود می آورد. عامل Q در دستگاه ترانسدوسر این پاسخ فرکانسی را توصیف می‌کند. اگر پاسخ فرکانسی یک بلور رسم شود, منحنیهایی شبیه شکل 9-20 بدست می آیند. نقطه های f2 و f1 نماینده فرکانسهای بالا و پایین فرکانس تشدید هستند که در آن نقطه ها شدت صوت نصف  شده است. عامل Q یِ یک دستگاه ترانسدوسر شکل منحنی پاسخ فرکانسی را تعیین می‌کند, و به صورت زیر تعریف می‌شود:  

Q = عامل Q

f0  = فرکانس تشدید

2 f= فرکانس بالای تشدید که در آن شدت به نصف می رسد.

f1 = فرکانس پایین تشدید که در آن شدت به نصف می رسد.

در شکل 9-20, منحنی A  عامل Q یِ 20 را نشان می‌دهد. دستگاه ترانسدوسری که منحنی A را تولید می‌کند ایجاد محدوده باریک فرکانسهای صوتی را می نماید و زمان نزول طویل دارد. چنین دستگاهی برای ترانسدوسرهای اولتراسوند داپلر (آن را بعداً به تفصیل ذکر  خواهیم کرد) مفید است. دستگاه ترانسدوسر که منحنی B در شکل 9-20 را ایجاد می‌کند, عامل Q یِ 2 را دارد. این نوع دستگاه صوتی با محدوده فرکانسی گسترده ایجاد می‌کند و زمان نزول کوتاه دارد. چنین ترانسدوسری (یعنی با Q یِ کوتاه) برای تصویرسازی اعضا (کار ضربان – پژواک) مورد نیاز است زیرا می تواند ضربانهای اولتراسوند کوتاه ایجاد کند و به فرکانسهای برگشتی با دامنه گسترده ای پاسخ دهد.

یک صوت طویل مداوم برای تصویرسازی صوتی نامطلوب است. ترانسدوسر هم فرستنده و هم گیرنده است, ولی نمی تواند در یک لحظه هم بفرستد و هم دریافت کند. وقتی صوت مداوم ارسال شود, نوسانات همراه در بلور ایجاد ولتاژهای موجی مداوم بین دو الکترود می‌کنند. اگر امواج صوتی در داخل ایجاد شده قویتر از اکوی بازگشتی باشد, که امکانش هست, علامت برگشتی در همهمه دستگاه گم می‌شود. یک دلیل دیگر بر اینکه صوت مداوم برای تصویرسازی نامطلوب است این است که قدرت تحلیل عمقی عموماً با طول ضربان صوتی تعیین می‌شود. (قدرت تحلیل عمقی بعداً در این فصل تعریف خواهد شد). طول ضربان صوتی را که «درازای فضایی ضربان» می نامند. تعداد ضربانها ضرب در طول موجشان است. ضربان صوتی از بلور با Q یِ بالای بدون تکیه گاه دراز است زیرا صوت برای مدت طولانی می ماند. عامل تقریبی Q برای چندین ماده پیزوالکتریک عبارت است از:

< 25000

کوارتز

< 500

PZT-4

75

PZT5A

3

پلیمرهای پیزوالکتریک

عامل Q را برای مواد پیزوالکتریک می توان با تغییر اختصاصات قطعه پشتی ترانسدوسر تنظیم کرد. یک قطعه پشتی برای فرونشاندن  ارتعاشات  و  کوتاه  کردن  ضربان  صوتی  گنجانده  شده  است.  اگر طول موج صوت از یک ترانسدوسر mm 5/0

(m 0005/0) باشد و ضربان پس از دو طول موج فرو بنشیند. درازی فضایی ضربان mm 1 (m 001/0) است. بطور دلخواه, ضربان اولتراسونیک باید یک طول موج تنها باشد. ترانسدوسرهایی که در اولتراسوند بکار می روند برای 2 تا 3 سیکل به ضربان درمی آیند و تعداد ضربانها بین 500 تا 3000 در ثانیه است (به طور متوسط 1000 ضربان در ثانیه). درباره تعداد ضربانها با قدری تفصیل بعداً صحبت خواهیم کرد. ماده پشتی دلخواه باید تمام امواج صوتی را که به آن می رسند بپذیرد (یعنی هیچکدام را دوباره به بلور منعکس نکند) و سپس باید انرژی این امواج را کاملاً جذب کند. این موضوع یعنی اینکه ماده پشتی باید امپدانس اختصاصی شبیه از آن بلور ترانسدوسر داشته باشد (درباره امپدانس اختصاصی فعلاً ناراحت نشوید, بزودی درباره آن بحث خواهیم کرد). قطعه پشتی عموماً از اجتماع گرد تانگستن و لاستیک در صمغ اپوکسی ساخته شده است. نسبت تانگستن به صمغ را طوری برمی گزینند تا امپدانس مورد نیاز را داشته باشد, و گرد لاستیک اضافه می‌شود تا تخفیف صوت را در قطعه پشتی بیفزاید. مثلاً, افزایش 5 % حجم, گرد لاستیک به مخلوط 10 % حجمی گرد تانگستن در صمغ, تخفیف را از 6/5 به dBcm-1  8 در MHz 1 افزایش می‌دهد. به عنوان یک قانون کلی, بلور با Q یِ بالا فرستنده خوب و بلور با Q یِ پایین گیرنده خوبی است.

سه مبحث مهم دیگر درباره ترانسدوسرها عبارتند از ترانسدوسرهای میزان شده, تطابق امپدانس, و تطابق طول یک چهارم موج. اینها بعداً در این فصل پس از اینکه مواد زمینه ای مناسب معرفی شدند بحث خواهند شد.

ویژگیهای یک شعاع اولتراسوند

یک نقطه تنهای مرتعش امواج را در تمام جهات از خود می فرستد, که خیلی مانند امواجی است که در اثر انداختن یک ریگ در داخل حوض آرام بوجود می آیند, امواج از نقطه مبدأ خود به صورت دوایر متحدالمرکزی به خارج حرکت می‌کنند. اگر دو ریگ همزمان انداخته شوند, هرکدام امواج حلقوی ایجاد می‌کنند, و این امواج برحسب فازشان در موقع تلاقی, ممکن است یکدیگر را تقویت یا خنثی کنند (شکل 10-20). در زمان A  دو موج از جهات مخالف به یکدیگر نزدیک می شوند. در زمان B, آنها با هم تماس پیدا می‌کنند ولی تداخل نمی‌کنند. یک نیم سیکل بعدی, در زمان C, حضیض یکی به اوج دیگری رسیده و همدیگر را خنثی می‌کنند. نیم سیکل بعدی, در زمان D اوجها و حضیضها دقیقاً منطبق می شوند, همدیگر را تقویت می‌کنند و اوج و حضیض دو برابر می‌شود. نیم سیکل بعدی, در زمان E, دو موج از هم جدا شده اند, و بالاخره در زمان F, درحالیکه دو موج جداگانه در جهات مخالف حرکت می‌کنند, به راه خود می روند.

بلورهای پیزوالکتریک به صورت ردیفهای نقاط مرتعش و نه به صورت سطوح پیستون مانند که قبلاً اشاره کردیم عمل می‌کنند. جبهه های موج لااقل در نزدیکی بلور یکنواخت نیستند. در شکل 11-20 بلور به صورت پنج نقطه مرتعش ترسیم شده است, و هر نقطه حلقه های متعدد متحدالمرکز ایجاد می‌کند که, درحالیکه خود را در امتداد خط موازی سطح بلور قرار می گیرند خود را تقویت خواهند کرد. فاصله ای که در آن امواج همزمان خواهند شد بستگی به طول موجشان دارد, هرچه طول موجشان کمتر باشد جبهه به سطح ترانسدوسر نزدیکتر تشکیل می‌شود.

شدت اولتراسوند در طول حرکت شعاع تغییر می‌کند. ساده ترین راه برای رسم شعاع آن است که در شکل 12-20 نشان داده شده است, که در آن شعاع به صورت دسته موازی برای طول معینی رسم شده است, که در ورای آن از هم متباعد می‌شود. قسمت موازی را ناحیه نزدیک یا فرنل (Fresnel Zone خوانده می‌شود: فرنل) گویند. قسمت متباعد شعاع را, که در ورای X  است ناحیه دور یا فرانهوفر (Fraunhofer Zone) می گویند. علامت X را برای نشان دادن نقطه انتقال بین نواحی فرنل و فرانهوفر بکار می رود. طول ناحیه فرنل را با قطر ترانسدوسر و طول موج اولتراسوند به طریق زیر تعیین می‌کنند:  

X =  طول ناحیه فرنل (cm)

r  =  شعاع ترانسدوسر (cm)

 = طول موج (cm)

ملاحظه کنید که این محاسبه را در واحدهای cgs (cm), و نه در واحدهای SI  (m) انجام داده ایم.

جدول 3-20 طول ناحیه فرنل را برای طول موجها, و اندازه های مختلف نشان می‌دهد. این ناحیه با ترانسدوسر بزرگ و فرکانس بالا طویلتر است, و با ترانسدوسر کوچک و صوت کم فرانس کوچک می‌باشد. برای آنهایی که اشکال در تفسیر جداول دارند, همین اطلاعات در شکلهای 13-20 و 14-20 آورده شده است. در شکل 13-20, اندازه ترانسدوسر در cm 5/1 ثابت است, و فرکانس صورت بطور پلکانی از 1 تا MHz 3 زیاد می‌شود. ناحیه نزدیک طولش با افزایش فرکانس زیاد می‌شود. در شکل 14-20, فرکانس در MHz 1 ثابت است و اندازه ترانسدوسر به تدریج از 1 تا cm 5/2 زیاد می‌شود. باز, ناحیه نزدیک طولش با ترانسدوسر بزرگتر افزوده می‌گردد.

شعاعهای با فرکانس بالا دو مزیت بر شعاعهای با فرکانس پایین دارند: قدرت تحلیل عمقی بیشتر است, و ناحیه فرنل طویلتر است. منطقی به نظر می رسد که فرکانسهای بالا را برای تمام تصاویر بکار بریم. معهذا, فرکانسهای بالا نقص بزرگی درباره نفوذپذیری دارند. جذب بافتی با افزایش فرکانس زیاد می‌شود, بنابراین برای نفوذ در اعضای ضخیم شعاع نسبتاً کم فرکانس مورد نیاز است.  

همچنین, منطقی به نظر می رسد که برای اینکه شعاع را تا عمق کافی برای رسیدن به نقطه مورد نظر نزدیک بهم نگاه داریم اندازه ترانسدوسر را زیاد کنیم. اگرچه ترانسدوسرهای بزرگتر شعاع را در طول بیشتری نزدیک هم نگاه می دارند, ولی قدرت تحلیل طرفی را می کاهند. این مسئله, لااقل بطور نسبی, با بکار بردن ترانسدوسرهای میزان شده (که بعداً شرح داده خواهند شد) حل شده است. مقدار تباعد در ناحیه دور در بالاترین تصویر در شکل 14-20 نشان داده شده است. مقدار زاویه را با رابطه زیر تعیین می‌کنند:                                                             

زاویه تباعد ناحیه دور

طول موج (mm)

D  = قطر ترانسدوسر (mm)

    بکار بردن این معادله با جدولهای ریاضی یا با ماشینهای حساب مجهز به توابع مثلثاتی نسبتاً آسان است. مثلاً, زاویه تباعد برای یک ترانسدوسر 10 میلیمتری و طول موج mm 1 (فرکانس MHz 5/1) را ممکن است به صورت زیر تعیین کرد:

اگر طول موج به mm 5/0 کوتاه شود (فرکانس MHz 3), و اندازه ترانسدوسر mm 10 نگاه داشته شود, زاویه تباعد 50/3 است.

واکنش بین اولتراسوند و ماده

انواع واکنش بین صوت و ماده شبه به نور است و شامل موارد زیر است: (1) انعکاس؛ (2) انکسار؛ و (3) جذب.

انعکاس (Reflection)

در تصویر سازی با پرتو X, پرتو منتقل شده فیلم را سیاه می‌کند و ایجاد تصویر می نماید. اشعه تخفیف یافته ایجاد نقص یا حفره در  شعاع  منتقل شده می‌کند و به این ترتیب در ایجاد تصویر به صورت غیرفعال شرکت می‌کند. اشعه پخش شده فیلم را تار می‌کنند و برای کیفیت تصویر زیانبارند. با اینهمه, با اولتراسوند تصویر با قسمت منعکس شعاع درست می‌شود. صوت منتقل شده هیچ شرکتی در تشکیل تصویر نمی‌کند, ولی انتقال باید به اندازه کافی قوی باشد تا با ایجاد اکوهایی در سطوح عمیقتر کند. درصد شعاعی که در حد فاصلهای بافتی منعکس می‌شود بستگی دارد به: (1) امپدانس آکوستیک بافتی؛ و (2) زاویه تابش شعاع.

امپدانس آکوستیک: امپدانس آکوستیک خاصیت اساسی ماده است. امپدانس مواد عبارت است از حاصلضرب چگالی و سرعت صوت در ماده.