الأمواج فوق الصوتية
مقدمة:
الأمواج فوق الصوتية عبارة عن اضطراب ميكانيكي يتحرك كموجة انضغاطية عبر وسط ما.عندما يكون الوسط عبارة عن مريض فإن الاضطراب الموجي يعتبر أساس استخدام الأمواج فوق الصوتية كأداة تشخيصية . إن إدراك مواصفات الأمواج فوق الصوتية وسلوكها في أوساط متعددة هو أمر جوهري لفهم استخدامها التشخيصي في الطب السريري.
لمحة تاريخية :
في عام 1880 , اكتشف الفيزيائيان الفرنسبان بيير وجاكس كوري الأثر الكهرإجهادي .
حاول الفيزيائي الفرنسي بول لانجيفين تطوير المواد الكهراجهادية كمرسلات ومستقبلات للاضطرابات الميكانيكية عالية التردد (الأمواج فوق الصوتية) عبر المواد . كان التطبيق الخاص به عبارة عن استخدام الأمواج فوق الصوتية لاكتشاف الغواصات خلال الحرب العالمية الأولى . إن هذه التقنية – المدى والملاحة الصوتية SONAR – أصبحت أخيراً أمراً تطبيقياً خلال الحرب العالمية الثانية .
الاستخدامات الصناعية للأمواج فوق الصوتية بدأت عام 1928 مع اقتراح الفيزيائي السوفيتي سوكولف Sokolov بإمكانية استخدامها لاكتشاف الشقوق في المواد .
الاستخدامات الطبية للأمواج فوق الصوتية خلال الثلاثينيات من القرن الماضي كانت محصورة بالتطبيقات العلاجية مثل معالجات السرطان والمعالجة الفيزيائية للاعتلالات الجسدية (الأمراض) المختلفة .
الاستخدامات التشخيصية للأمواج فوق الصوتية بدأت في نهاية الأربعينات من القرن الماضي عبر تعاون بين الأطباء والمهندسين بشكل مماثل للـ SONAR .
معلومة :في عام 1794 اقترح سبالنزي Spallanzy مصحِّحاًً بأن الخفافيش تتجنب العقبات خلال طيرانها عن طريق استخدام إشارات صوتية فوق مجال سمع الأذن البشرية .
حركة الموجة :
الوسط السائل عبارة عن ارتباط جزيئات ذات حركة عشوائية مستمرة . في الشكل 19-1 تم تمثيل الجزيئات بدوائر غامقة . عندما لا تكون هناك قوة خارجية مطبقة إلى الوسط فإن الجزيئات تكون موزعة بشكل منظم تقريباً (الشكل A ) . عندما يتم تطبيق قوة إلى الوسط ( تم تمثيلها بحركة بسطون من اليسار إلى اليمين في الشكل B ) فإن الجزيئات تتمركز أمام البسطون , متسببة بضغط متزايد في ذلك الموقع .
إن مجال الضغط المتزايد يسمى منطقة الانضغاط Zone of compression . بسبب الحركة الأمامية المنقولة إلى الجزيئات بواسطة البسطون فإن مجال الضغط المتزايد يبدأ بالهجرة بعيداً عن البسطون وعبر الوسط . إن هذا الاضطراب الميكانيكي المتقدم باتجاه الوسط يسافر عبره باتجاه متباعد عن مصدر هذا الاضطراب .
في التطبيقات السريرية للأمواج فوق الصوتية فإنه تم استبدال البسطون بمبدل للأمواج فوق الصوتية .
عندما تبدأ منطقة الانضغاط بهجرتها عبر الوسط , فإنه يمكن سحب البسطون من اليمين إلى اليسار لإنشاء مجال من الضغط المتناقص مباشرة خلف منطقة الانضغاط . تتحرك جزيئات الوسط المحيط إلى هذا المجال لتعيده إلى الكثافة الجزئية الطبيعية وعندها يبدأ مجال ثان – وهو منطقة التخلخل Zone of rarefaction – بالهجرة بعيداً عن البسطون (الشكل C ) .
هكذا فإن منطقة الانضغاطية (ذات الضغط العالي) Compression Zone تم إلحاقها بمنطقة التخلخل (ذات الضغط المنخفض ) Rarefaction Zone والتي تتحرك أيضاً عبر الوسط .
إذا تمت إزاحة البسطون مرة أخرة إلى اليمين فإنه سيتم إنشاء منطقة انضغاط أخرى ستتبع منطقة التخلخل عبر الوسط كما هو موضح في المثال D).
الشكل الهامشي(1-19) إنتاج الموجة فوق الصوتية.
A:التوزيع المنتظم للجزيئات في الوسط.
B:حركة المكبس إلى اليمين تنتج منطقة ضغط.
:Cسحب المكبس إلى اليسار تنتج منطقة تخلخل.
D:الحركة المتناوبة للمكبس إلى اليمين واليسار تنتج موجة طولية في الوسط.
خلال انتشار الموجة فوق الصوتية فإن جزيئات الوسط تتذبذب (تهتز) عبر مسافة صغيرة جداً باتجاه مواز للموجة الطولية . إن هذا التذبذب عبر أي وسط كان يتم نقله عبر الجزيئات والذي يسبب حركة الموجة عبر الوسط .
إن انتشار هذه المناطق ينشئ اضطراباً موجباً في الوسط .هذا الاضطراب يسمى بالموجة الطولية Longitudinal Wave لأن حركة الجزيئات في الوسط موازية لاتجاه انتشار الموجة .
إن الموجة ذات التردد المحصور ضمن المجالHz 2000] ÷ [20 عبارة عن موجة صوتية ممكن سماعها بالأذن البشرية .
الموجة تحت الصوتية Infrasonic عبارة عن موجة صوتية ترددها أقل من 20Hz ومن غير الممكن سماعها بالأذن البشرية .
الموجة فوق الصوتية ultrasound(ultrasonic)wave تملك ترددات أكبر من 20 000 Hz وهي أيضاً غير مسموعة .
في التشخيصات السريرية , فإن الأمواج فوق الصوتية ذات الترددات المحصورة بين [1÷ 20] MHz هي المستخدمة .
عندما تتحرك الموجة الطولية عبر الوسط فإن الجزيئات عند حافة الموجة تنزلق متجاوزة إحداها الأخرى . مقاومة أثر القص هذه تسبب حركة هذه الجزيئات إلى حد ما باتجاه مبتعد عن الموجة الطولية المتحركة . إن هذه الحركة المستعرضة للجزيئات عبر حافة الموجة الطولية تنشئ أمواج قص shear waves تتشعب بشكل مستعرض عن الموجة الطولية .
بشكل عام فإن أمواج القص تكون هامة أو ذات معنى ، فقط في الوسط القاسي كما في المواد الصلبة .
في الأنسجة الحيوية فإن العظام هي الوسط الوحيد الذي يمكن أن يكون فيه أمواج قص ذات أهمية .
تعـليق :- Pieso : كلمة اغريقية تدل على الضغط (الإجهاد) .
- Piesoelectricity : تدل على تحويل الاستجابة الكهربائية إلى ضغط مطبق .
- استخدم بيير كوري الخواص الالكهرإجهادية لكريستالات الكوارتز ليبني أداة لقياس التغيرات الصغيرة في الكتلة التي ترافق تأخير النشاط الراديوي .
إن هذا العمل تم بالتعاون مع زوجته ماري كوري في دراساتها الأولى للنشاط الراديوي .
- المصطلح مبدل Transducer يشير إلى أية أداة تحول الطاقة من شكل لآخر (ميكانيكي إلى كهربائي ، كهربائي إلى حراري ،...الخ)
- عندما يسأل أحد ما عن رؤية مبدل في قسم الأشعة فإنهم سوف يُرونه جهاز الأمواج فوق الصوتية لكن على وجه الدقة يمكن أيضاً أن يتم أخذه لرؤية أنبوب أشعة x .
تصنيف ترددات فوق الصوت :
الترددات فوق الصوتية(من 1 ميغاهرتز وأعلى) تقابل أطوال موجات فوق صوتية أقل من 1 ملم في نسج الجسم البشري الطرية.
خصائص الموجة:
إن منطقة ضغط ومنطقة تخلخل مجاورة يشكلان دورة واحدة للموجة فوق الصوتية . دورة الموجة يمكن تمثيلها بواسطة رسم بياني للضغط في الوسط ( كثافة الجزيئات) مقابل المسافة في اتجاه الموجة فوق الصوتية (الشكل 1-19).
المسافة التي تحصر موجة واحدة تدعى طول الموجة للموجة فوق الصوتية .
عدد الدورات في واحدة الزمن (cps أو QUOTE ) التي تتقدم في الوسط كل ثانية تشير إلى تردد الموجة ويعبر عنه بالواحدات هرتز ,كيلو هرتز أو ميغاهرتز حيث 1 هرتز(Hz) يساوي 1 دورة بالثانية (cps).
الارتفاع الأعظمي لدورة الموجة هو المطال للموجة فوق الصوتية .ناتج ضرب التردد (υ) مع طول الموجة (λ) هو سرعة الموجة
λ * υ C =
تكون سرعة الموجة فوق الصوتية في معظم النسج الطرية هي تقريباً 1540 (sec m ⁄). ترددات من 1 ميغاهرتز وأعلى من ذلك تكون مطلوبة للحصول على أطوال موجية من أجل التصوير التشخيصي.
عندما تلتقي موجتان نقول أنهما متداخلان مع بعضهما . يوجد نوعين من التداخل .
في التداخل الفعّال (constructive interference) تكون الموجتان لهما نفس الطور (قمة تقابل قمة), في التداخل الغير الفعال (destructive interference) تكون الموجتين مختلفتين بالطور (أعلى قيمة تقابل أسفل قيمة).
في التداخل الفعال يحصل زيادة في مطال الموجات بينما في التداخل الغير فعال فإنه من المحتمل أن تلغي إحداهما الأخرى.
الشكل(1-19)خصائص الموجة فوق الصوتية
