تحقیق بررسی انرژی صوت در 55 صفحه ورد قابل ویرایش

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.

جذب (Absorption)

جذب اولتراسوند در مایع نتیجه نیروهای اصطکاکی است که با حرکت ذرات در محیط مقابله می‌کنند. انرژی که از شعاع اولتراسوند گرفته می‌شود تبدیل به حرارت می‌گردد. بطور دقیقتر, جذب یعنی تبدیل اولتراسوند به انرژی حرارتی, و تخفیف (Attenuation) یعنی کاهش کلی پیشرفت, از جمله جذب, پخش, و انعکاس.

مکانیسمهای درگیر در جذب نسبتاً پیچیده اند و توضیحات ما خیلی آسان گیری خواهد بود. سه عامل مقدار جذب را تعیین می‌کنند. (1) فرکانس صوت, (2) ویسکوزیته محیط منتقل کننده, و (3) زمان استراحت (Relaxation) محیط. ما درباره فرکانس در آخر بحث خواهیم کرد زیرا دو عامل دیگر در آن اثر دارند.

اگر ما صوت را تشکیل شده از ذرات مرتعش تصویر کنیم, اهمیت ویسکوزیته آشکار می‌شود. با افزایش ویسکوزیته آزادی ذره کم می‌شود و اصطکاک داخلی افزایش می یابد. این اصطکاک داخلی شعاع را جذب می‌کند یا شدت آن را با تبدیل صوت به گرما می کاهد. در مایعات که ویسکوزیته کمی دارند, جذب خیلی کمی صورت می‌گیرد. در بافتهای نرم ویسکوزیته بیشتر است و جذب متوسط صورت می پذیرد, درحالیکه استخوان جذب زیاد اولتراسوند نشان می‌دهد.

زمان استراحت زمانی است که ملکولها پس از اینکه جابجا شدند به وضعیت اولیه خود برمی گردند. این موضوع به حالت ارتجاعی (Resilience) ماده اشاره دارد. دو ماده با ویسکوزیته یکسان ممکن است زمانهای استراحت مختلف داشته باشند. زمان استراحت برای هر ماده بخصوص ثابت است.

وقتی یک ملکول با زمان استراحت کوتاه بوسیله یک موج طولی انقباضی فشرده می‌شود, قبل از اینکه موج انقباضی بعدی برسد زمان برای برگشت به حالت استراحت خود دارد. یک ملکول با زمان استراحت طولانی تر, ممکن است قادر نباشد پیش از اینکه موج بعدی برسد, کاملاً به حالت اول برگردد. وقتی این اتفاق افتد, موج انقباضی در یک جهت و ملکول در جهت دیگر حرکت می‌کند. انرژی بیشتری از آنچه که در ابتدا ملکول را حرکت داد لازم است تا جهت ملکول را برگرداند. انرژی اضافی تبدیل به گرما می‌شود.

در بافت نرم رابطه خطی بین جذب اولتراسوند و فرکانس وجود دارد. دو برابر کردن فرکانس تقریباً جذب را دو برابر می‌کند و تقریباً شدت شعاع منتقل شده را نصف می‌کند. آگاهی از جذب باعث گزینش ترانسدوسر درست برای کار ویژه مورد نظر می‌شود. فرکانسهای شایع موجود ترانسدوسر عبارتند از 1, 25/2, 5/3, 5, 7 و MHz 10. یک فرکانس درست توازنی است بین قدرت تحلیل (فرکانس بالاتر) و قابلیت رساندن انرژی به بافت (فرکانس پایین) می‌باشد.

تخفیف اولتراسوند همچنین با حرارت بافتها تغییر می‌کند, ولی این رابطه با بافتهای مختلف متغیر است. مثلاً, در محدوده حرارت 7 تا 35 و محدوده فرکانس 4/0 تا MHz 10, محلول فیزیولوژیک هموگلوبین کاهش تخفیف با افزایش حرارت نشان می‌دهد. در مقابل, بافتهای اعصاب مرکزی نشان داده شده است که با افزایش حرارت افزایش تخفیف نشان می دهند.

فرکانس صوت در مقدار جذب که بوسیله ویسکوزیته ماده ایجاد می‌شود مؤثر است. هرچه فرکانس بالاتر باشد, (یعنی اینکه در زمان معین یک ذره بیشتر به جلو و عقب برود), حرکتش بیشتر بوسیلة ماده پُر ویسکوزیته تحت تأثیر قرار می‌گیرد. فرکانس همچنین, بر مقدار جذب که بوسیله زمان استراحت ایجاد می‌شود اثر می‌کند. در فرکانسهای پایین, ملکولها زمان کافی برای استراحت بین سیکلها دارند ولی, درحالیکه فرکانس زیاد می‌شود, زمان استراحت بیشتر نسبت کل سیکل را اشغال می‌کند. این آثار در محدوده های پایینتر فرکانسهای تشخیصی (MHz 1) قابل ملاحظه اند و افزایش آنها با فرکانسهای بالاتر ادامه دارد.

فقط اطلاعات پراکنده برای تعیین مقدار جذب اولتراسوند در دسترس است. معمولاً یک ضریب جذب بکار برده می‌شود. این ضریب مشابه مفهوم ضریب تخفیف خطی است که در پرتو X تعریف شد. واحد ضریب جذب دسیبل بر سانتیمتر ضخامت در فرکانس MHz 1 است. تصریح MHz 1 ضروری است زیرا جذب بستگی به فرکانس دارد. در MHz 2, ضریب جذب در حدود دو برابر بزرگتر است. جدول 6-20 ضریبهای جذب را برای مواد مختلف نشان می‌دهد. یک برش یک سانتیمتری کلیه, با ضریب جذب /cm dB 1, شدت صوت را dB 1 می کاهد. جدول 2-20 نشان می‌دهد که dB 1- نشانگر جذب 21% شعاع است و اینکه 79% شعاع می ماند. یک برش cm 1 ضخامت ریه dB 41 جذب می‌کند, که شدت را با ضریب بیش از 10000 می کاهد و کمتر از 01/0 % شعاع را باقی می گذارد.



تصویر سازی جدول خاکستری

با بوجود آمدن تصویرسازی جدول خاکستری, اسکن حالت B در 1972 قدم بزرگی به جلو برداشت. منظور از تصویرسازی جدول خاکستری نشان دادن تغییرات زیاد بلندیهای اکوهایی که از بافتها می آیند به صورت سایه های خاکستری بر روی صفحه نمایشگر تلویزیون می‌باشد. این متضاد تصویر دورنگی یا تصویر جدول خاکستری محدود شده است که با تیوبهای اشعه کاتودیک ذخیره ای قابل انجامند. تصویر سازی جدول خاکستری با بوجود آمدن تیوب اسکن تبدیل حافظه (Scan conversion memory tube) ممکن شد (معمولاً آن را مبدل اسکن «Scan Conventer» گویند).

برخلاف تیوبهای پرتوکاتودیک ذخیره ای, تیوبهای مبدل اسکن ایجاد تصویر قابل رؤیت نمی‌کنند. درعوض, مبدل اسکن اطلاعاتی را که از یک ترانسدوسر می رسد ذخیره می‌کند, و سپس, اطلاعات ذخیره شده را برای تولید علائمی که برای ایجاد تصویر قابل رؤیت روی صفحه نمایش تلویزیون بکار می روند, بکار می برد. یک تیوب مبدل اسکن از این جهت که باعث می‌شود که یک شعاع الکترونی یک هدف را که قابلیت ذخیره اطلاعات دریافت شده را دارد اسکن کند شبیه تیوب اشعه کاتودیک است. شعاع الکترونی, بطور متناوب برای «نوشتن» اطلاعات بر روی هدف, «خواندن» اطلاعات, برای تولید علائم که برای تلویزیون فرستاده می‌شود, و پاک کردن هدف برای آماده کردن آن برای دریافت اطلاعات جدید بکار می رود. هدف مبدل اسکن یک وسیله پیچیده ای است که تشکیل شده است از صفحه پشتیبان سیلیکونی به قطر در حدود 25 میلیمتر که بر روی آن بیش از یک میلیون قطعات مربعی ریز (در حدود 10) قرار داده شده است. منطقی است که فرض کنیم که وقتی ترانسدوسر برای اسکن بیمار در روش اسکن تماسی مرکب بکار می رود. چندین اکوی برگشتی از یک نقطه بوسیله ترانسدوسر دریافت می‌شود. وقتی هدف مبدل اسکن علائم متعدد از یک نقطه دریافت می‌کند, فقط قویترین علامت را ضبط کرده, بقیه را دور می ریزد.

به این ترتیب, عکس نهایی فقط از قویترین اکو کشف شده از هر نقطه, و نه از جمع اتفاقی چندین علامت تشکیل شده است (این را «فرانویسی» «Overwriting» گویند). این دلیلی است که چرا امتحان کننده قادر است با حرکات مکرر ترانسدوسر در سطح هر تصویر, یک عکس قابل تشخیصتری بسازد. وقتی تصویر در هدف مبدل اسکن ذخیره شود می توان شعاع الکترونی را واداشت تا هدف را جاروب کند و ایجاد علامت قابل نشان دادن روی تلویزیون معمولی بنماید.

دوگونه تیوب اسکن مبدل حافظه وجود دارد. تیوب مبدل اسکن آنالوگ در 1972 درست شد. بعداً, مبدل اسکن دیژیتال جای آنالوگ را گرفت. اصطلاح های «آنالوگ» و «دیژیتال» نزد بیشتر پزشکان نسبتاً مبهمند. به سبب ورود انفجاری اجزای «دیژیتال» در کارهای تصویری تشخیصی, ما این عنوان را موضوع یک فصل تمام کرده ایم. بطور خلاصه, مبدل اسکن دیژیتال تغییرات بلندی اکوهای دریافتی بوسیله ترانسدوسر را به شماره های دوگانی (Binary) تبدیل می‌کند. این اطلاعات در 16 (4 بیت) یا 32 (5 بیت) و یا بیشتر از آن سطح خاکستری ذخیره می‌شود که می توان روی نمایشگر تلویزیون نشان داد.

مبدل اسکن آنالوگ در استفاده بالینی قدری اشکال بوجود می آورد زیرا سطوح جدول خاکستری که به هر بلندی اکو منسوب می شوند متمایلند جریان یابند, و باعث اختلال تصویر شود, و مقایسه بین اسکنهای انجام یافته در تاریخهای مختلف را مشکل کند.

همچنین, سوسو زدن نامطبوع تصویر که روی تلویزیون دیده می‌شود وجود دارد. این سوسو زدن مربوط به این واقعیت است که تیوب مبدل اسکن باید در عین حال تصویر را ذخیره کند (بنویسد) و آن را به نمایشگر تلویزیون بفرستد (بخواند). تیوب در زمانی که تصویر دریافت می‌شود متناوباً وضع خود را به حالت خواندن و نوشتن در می‌آورد. یک تیوب مبدل آنالوگ قادر است که این تبادل را با سرعت ده بار برای هر تصویر تلویزیونی انجام دهد. و ایجاد سوسو زدن قابل دید کند. تصویر وقتی بوسیله مبدل آنالوگ ذخیره شد, قبل از اینکه زوال تصویر شروع شود می تواند به مدت ده دقیقه دیده شود.

تیوبهای مبدل اسکن دیژیتال از جاری شدن (Drift) جدول خاکستری آزادند. آنها سرعت نوشتن خیلی سریعتر از واحد آنالوگ دارند, بنابراین سوسو زدن بر صفحه تلویزیون ندارند. تصویر وقتی ذخیره شود, بر تیوب ذخیره دیژیتال می تواند همیشه دیده شود. مبدلهای اسکن دیژیتال برای پردازش پیشرفته کامپیوتر مناسبند و قابل بکاربردن در تصویرسازی ریل تایم هستند. بنابراین به نظر می‌رسد تیوب حافظه ای مبدل اسکن دیژیتال جانشین دستگاه آنالوگ شود.