تحقیق بررسی انرژي صوت

دسته بندي : فنی و مهندسی » صنایع
تحقيق بررسي انرژي صوت در 55 صفحه ورد قابل ويرايش

ماوراء صوت (Ultrasound)

پرتو X از لحظه كشف به استفاده عملي گذاشته شد, و در طي چند سال اول بهبود در تكنيك و دستگاه به سرعت پيشرفت كرد. برعكس, اولتراسوند در تكامل پزشكيش بطور چشمگيري كند بوده است. تكنولوژي براي ايجاد اولتراسوند و اختصاصات امواج صوتي سالها بود كه دانسته شده بود. اولين كوشش مهم براي استفاده عملي در جستجوي ناموفق براي كشتي غرق شده تيتانيك در اقيانوس اطلس شمالي در سال 1912 بكار رفت ساير كوششهاي اوليه براي بكارگيري ماوراء صوت در تشخيص پزشكي به همان سرنوشت دچار شد. تكنيكها, بويژه تكنيكهاي تصويرسازي, تا پژوهشهاي گسترده نظامي در جنگ دوم بطور كافي بسط نداشت. سونار, Sonar (Sound Navigation And Ranging) اولين كاربرد مهم موفق بود. كاربردهاي موفق پزشكي به فاصله كوتاهي پس از جنگ, در اواخر دهة 1940 و اوايل دهة 1950 شروع شد و پيشرفت پس از آن تند بود.

اختصاصات صوت

يك موج صوتي از اين نظر شبيه پرتو X است كه هر دو امواج منتقل كننده انرژي هستند. يك اختلاف مهمتر اين است كه پرتوهاي X به سادگي از خلاء عبور مي‌كنند درحاليكه صوت نياز به محيطي براي انتقال دارد. سرعت صوت بستگي به طبيعت محيط دارد. يك روش مفيد براي نمايش ماده (محيط) استفاده از رديفهاي ذرات كروي است, كه نماينده اتمها يا ملكولها هستند كه بوسيله فنرهاي ريزي از هم جدا شده اند (شكل A 1-20). وقتي كه اولين ذره جلو رانده مي‌شود, فنر اتصالي را حركت مي‌دهد و مي فشرد, به اين ترتيب نيرويي به ذره مجاور وارد مي آورد (شكل 1-20). اين ايجاد يك واكنش زنجيره اي مي‌كند ولي هر ذره كمي كمتر از همسايه خود حركت مي‌كند. كشش با فشاري كه به فنر وارد مي‌شود بين دو اولين ذره بيشترين است و بين هر دو تايي به طرف انتهاي خط كمتر مي‌شود. اگر نيروي راننده جهتش معكوس شود, ذرات نيز جهتشان معكوس مي‌گردد. اگر نيرو مانند يك سنجي كه به آن ضربه وارد شده است به جلو و عقب نوسان كند, ذرات نيز با نوسان به جلو و عقب پاسخ مي دهند. ذرات در شعاع صوتي به همين ترتيب عمل مي‌كنند, به اين معني كه, آنها به جلو و عقب نوسان مي‌كنند, ولي در طول يك مسافت كوتاه فقط چند ميكرون در مايع و حتي از آن كمتر در جامد.

اگر چه هر ذره فقط چند ميكرون حركت مي‌كند, از شكل 1-20 مي توانيد ببينيد كه اثر حركت آنها از راه همسايگانشان در طول خيلي بيشتري منتقل مي‌شود. در همان زمان, يا تقريباً همان زماني كه اولين ذره مسافت a را مي پيمايد, اثر حركت به مسافت b منتقل مي‌شود. سرعت صوت با سرعتي كه نيرو از يك ملكول به ديگري منتقل مي‌شود تعيين مي‌گردد.

امواج طولي

ضربانات اولتراسوند در مايع به صورت امواج طولي منتقل مي‌شود. اصطلاح «امواج طولي» يعني اينكه حركت ذرات محيط به موازات جهت انتشار موج است. ملكولهاي مايع هدايت كننده به جلو و عقب حركت مي‌كنند و ايجاد نوارهاي انقباض و انبساط (شكل 2-20) مي‌كنند. جبهه موج در زمان 1 در شكل 2-20, وقتي طبل لرزنده ماده مجاور را مي فشارد آغاز مي‌شود. يك نوار انبساط, در زمان 2, وقتي كه طبل جهتش معكوس مي‌گردد, پيدا مي‌شود. هر تكرار اين حركت جلو و عقب را يك سيكل (Cycle) يا دوره تناوب گويند و هر سيكل ايجاد يك موج جديد مي‌كند. طول موج عبارت است از فاصله بين دو نوار انقباض, يا دو نوار انبساط, و بوسيلة علامت نشان داده مي‌شود. وقتي كه موج صوتي ايجاد شد, حركت آن در جهت اوليه ادامه مي يابد تا اينكه منعكس شود, منكسر شود يا جذب گردد. حركت طبل لرزان كه برحسب زمان رسم شده است, يك منحني سينوسي را كه در طرف چپ شكل 2-20 نشان داده شده است تشكيل مي‌دهد. اولتراسوند, برحسب تعريف, فركانسي بيش از 20000 سيكل بر ثانيه دارد. صوت قابل شنيدن فركانسي بين 15 و 20000 سيكل بر ثانيه دارد (فركانس ميانگين صداي مرد در حدود 100 سيكل بر ثانيه و از آن زن در حدود 200 سيكل بر ثانيه مي‌باشد). شعاع صوتي كه در تصويرسازي تشخيصي بكار مي رود فركانسي از 000/000/1 تا 000/000/20 سيكل بر ثانيه دارد. يك سيكل بر ثانيه را يك هرتس (Hertz) گويند. يك ميليون سيكل بر ثانيه يك مگاهرتس (مختصر شده آن (MHz) است. اصطلاح هرتس به افتخار فيزيكدان مشهور آلماني Heinrich R.Hertz مي‌باشد كه در سال 1894 وفات يافت.

سرعت صوت

براي بافتهاي بدن در محدودة اولتراسوند پزشكي, سرعت انتقال صوت مستقل از فركانس مي‌باشد و عمدتاً بستگي به ساختمان فيزيكي ماده اي دارد كه از ميان آن صوت عبور مي‌كند. خواص مهم محيط منتقل كننده عبارتند از : (1) قابليت انقباض (compressibility) و (2) چگالي (Density). جدول 1-20, سرعت صوت را در بعضي از مواد شناخته شده, از جمله چندين نوع بافت بدني, نشان مي‌دهد. مواد به ترتيب افزايش سرعت انتقال مرتب شده اند, و مي توانيد ببينيد كه صوت در گازها از همه كندتر, در مايعات با سرعت متوسط, و از همه تندتر در اجسام جامد حركت مي‌كند. ملاحظه كنيد كه تمام بافتهاي بدن, جز استخوان, مانند مايعات رفتار مي‌كنند و بنابراين همگي صوت را تقريباً با يك سرعت منتقل مي‌كنند. يك سرعت 1540 متر بر ثانيه به عنوان ميانگين براي بافتهاي بدن بكار مي رود.

قابليت انقباض: سرعت صوت با قابليت انقباض ماده منتقل كننده نسبت معكوس دارد, به اين معني كه هرچه ماده كمتر قابل انقباض باشد, صوت در آن تندتر منتقل مي‌شود. امواج صوتي در گازها آهسته حركت مي‌كنند زيرا ملكولها از هم دورند و به آساني قابل انقباضند. آنها به گونه اي رفتار مي‌كنند كه گويي بوسيلة فنر سستي بهم بسته اند. يك ذره بايد فاصله نسبتاً طويلي را بپيمايد پيش از اينكه بوسيله يك همسايه تحت تأثير قرار گيرد. مايعها و جامدها كمتر قابل انقباضند زيرا ملكولهايشان به يكديگر نزديكترند. آنها فقط نياز به طي مسافت كوتاهي دارند تا در همسايه اگر گذارند, بنابراين مايعها و جامدها صوت را تندتر از گاز منتشر مي‌كنند.

جذب (Absorption)

جذب اولتراسوند در مايع نتيجه نيروهاي اصطكاكي است كه با حركت ذرات در محيط مقابله مي‌كنند. انرژي كه از شعاع اولتراسوند گرفته مي‌شود تبديل به حرارت مي‌گردد. بطور دقيقتر, جذب يعني تبديل اولتراسوند به انرژي حرارتي, و تخفيف (Attenuation) يعني كاهش كلي پيشرفت, از جمله جذب, پخش, و انعكاس.

مكانيسمهاي درگير در جذب نسبتاً پيچيده اند و توضيحات ما خيلي آسان گيري خواهد بود. سه عامل مقدار جذب را تعيين مي‌كنند. (1) فركانس صوت, (2) ويسكوزيته محيط منتقل كننده, و (3) زمان استراحت (Relaxation) محيط. ما درباره فركانس در آخر بحث خواهيم كرد زيرا دو عامل ديگر در آن اثر دارند.

اگر ما صوت را تشكيل شده از ذرات مرتعش تصوير كنيم, اهميت ويسكوزيته آشكار مي‌شود. با افزايش ويسكوزيته آزادي ذره كم مي‌شود و اصطكاك داخلي افزايش مي يابد. اين اصطكاك داخلي شعاع را جذب مي‌كند يا شدت آن را با تبديل صوت به گرما مي كاهد. در مايعات كه ويسكوزيته كمي دارند, جذب خيلي كمي صورت مي‌گيرد. در بافتهاي نرم ويسكوزيته بيشتر است و جذب متوسط صورت مي پذيرد, درحاليكه استخوان جذب زياد اولتراسوند نشان مي‌دهد.

زمان استراحت زماني است كه ملكولها پس از اينكه جابجا شدند به وضعيت اوليه خود برمي گردند. اين موضوع به حالت ارتجاعي (Resilience) ماده اشاره دارد. دو ماده با ويسكوزيته يكسان ممكن است زمانهاي استراحت مختلف داشته باشند. زمان استراحت براي هر ماده بخصوص ثابت است.

وقتي يك ملكول با زمان استراحت كوتاه بوسيله يك موج طولي انقباضي فشرده مي‌شود, قبل از اينكه موج انقباضي بعدي برسد زمان براي برگشت به حالت استراحت خود دارد. يك ملكول با زمان استراحت طولاني تر, ممكن است قادر نباشد پيش از اينكه موج بعدي برسد, كاملاً به حالت اول برگردد. وقتي اين اتفاق افتد, موج انقباضي در يك جهت و ملكول در جهت ديگر حركت مي‌كند. انرژي بيشتري از آنچه كه در ابتدا ملكول را حركت داد لازم است تا جهت ملكول را برگرداند. انرژي اضافي تبديل به گرما مي‌شود.

در بافت نرم رابطه خطي بين جذب اولتراسوند و فركانس وجود دارد. دو برابر كردن فركانس تقريباً جذب را دو برابر مي‌كند و تقريباً شدت شعاع منتقل شده را نصف مي‌كند. آگاهي از جذب باعث گزينش ترانسدوسر درست براي كار ويژه مورد نظر مي‌شود. فركانسهاي شايع موجود ترانسدوسر عبارتند از 1, 25/2, 5/3, 5, 7 و MHz 10. يك فركانس درست توازني است بين قدرت تحليل (فركانس بالاتر) و قابليت رساندن انرژي به بافت (فركانس پايين) مي‌باشد.

تخفيف اولتراسوند همچنين با حرارت بافتها تغيير مي‌كند, ولي اين رابطه با بافتهاي مختلف متغير است. مثلاً, در محدوده حرارت 7 تا 35 و محدوده فركانس 4/0 تا MHz 10, محلول فيزيولوژيك هموگلوبين كاهش تخفيف با افزايش حرارت نشان مي‌دهد. در مقابل, بافتهاي اعصاب مركزي نشان داده شده است كه با افزايش حرارت افزايش تخفيف نشان مي دهند.

فركانس صوت در مقدار جذب كه بوسيله ويسكوزيته ماده ايجاد مي‌شود مؤثر است. هرچه فركانس بالاتر باشد, (يعني اينكه در زمان معين يك ذره بيشتر به جلو و عقب برود), حركتش بيشتر بوسيلة ماده پُر ويسكوزيته تحت تأثير قرار مي‌گيرد. فركانس همچنين, بر مقدار جذب كه بوسيله زمان استراحت ايجاد مي‌شود اثر مي‌كند. در فركانسهاي پايين, ملكولها زمان كافي براي استراحت بين سيكلها دارند ولي, درحاليكه فركانس زياد مي‌شود, زمان استراحت بيشتر نسبت كل سيكل را اشغال مي‌كند. اين آثار در محدوده هاي پايينتر فركانسهاي تشخيصي (MHz 1) قابل ملاحظه اند و افزايش آنها با فركانسهاي بالاتر ادامه دارد.

فقط اطلاعات پراكنده براي تعيين مقدار جذب اولتراسوند در دسترس است. معمولاً يك ضريب جذب بكار برده مي‌شود. اين ضريب مشابه مفهوم ضريب تخفيف خطي است كه در پرتو X تعريف شد. واحد ضريب جذب دسيبل بر سانتيمتر ضخامت در فركانس MHz 1 است. تصريح MHz 1 ضروري است زيرا جذب بستگي به فركانس دارد. در MHz 2, ضريب جذب در حدود دو برابر بزرگتر است. جدول 6-20 ضريبهاي جذب را براي مواد مختلف نشان مي‌دهد. يك برش يك سانتيمتري كليه, با ضريب جذب /cm dB 1, شدت صوت را dB 1 مي كاهد. جدول 2-20 نشان مي‌دهد كه dB 1- نشانگر جذب 21% شعاع است و اينكه 79% شعاع مي ماند. يك برش cm 1 ضخامت ريه dB 41 جذب مي‌كند, كه شدت را با ضريب بيش از 10000 مي كاهد و كمتر از 01/0 % شعاع را باقي مي گذارد.



تصوير سازي جدول خاكستري

با بوجود آمدن تصويرسازي جدول خاكستري, اسكن حالت B در 1972 قدم بزرگي به جلو برداشت. منظور از تصويرسازي جدول خاكستري نشان دادن تغييرات زياد بلنديهاي اكوهايي كه از بافتها مي آيند به صورت سايه هاي خاكستري بر روي صفحه نمايشگر تلويزيون مي‌باشد. اين متضاد تصوير دورنگي يا تصوير جدول خاكستري محدود شده است كه با تيوبهاي اشعه كاتوديك ذخيره اي قابل انجامند. تصوير سازي جدول خاكستري با بوجود آمدن تيوب اسكن تبديل حافظه (Scan conversion memory tube) ممكن شد (معمولاً آن را مبدل اسكن «Scan Conventer» گويند).

برخلاف تيوبهاي پرتوكاتوديك ذخيره اي, تيوبهاي مبدل اسكن ايجاد تصوير قابل رؤيت نمي‌كنند. درعوض, مبدل اسكن اطلاعاتي را كه از يك ترانسدوسر مي رسد ذخيره مي‌كند, و سپس, اطلاعات ذخيره شده را براي توليد علائمي كه براي ايجاد تصوير قابل رؤيت روي صفحه نمايش تلويزيون بكار مي روند, بكار مي برد. يك تيوب مبدل اسكن از اين جهت كه باعث مي‌شود كه يك شعاع الكتروني يك هدف را كه قابليت ذخيره اطلاعات دريافت شده را دارد اسكن كند شبيه تيوب اشعه كاتوديك است. شعاع الكتروني, بطور متناوب براي «نوشتن» اطلاعات بر روي هدف, «خواندن» اطلاعات, براي توليد علائم كه براي تلويزيون فرستاده مي‌شود, و پاك كردن هدف براي آماده كردن آن براي دريافت اطلاعات جديد بكار مي رود. هدف مبدل اسكن يك وسيله پيچيده اي است كه تشكيل شده است از صفحه پشتيبان سيليكوني به قطر در حدود 25 ميليمتر كه بر روي آن بيش از يك ميليون قطعات مربعي ريز (در حدود 10) قرار داده شده است. منطقي است كه فرض كنيم كه وقتي ترانسدوسر براي اسكن بيمار در روش اسكن تماسي مركب بكار مي رود. چندين اكوي برگشتي از يك نقطه بوسيله ترانسدوسر دريافت مي‌شود. وقتي هدف مبدل اسكن علائم متعدد از يك نقطه دريافت مي‌كند, فقط قويترين علامت را ضبط كرده, بقيه را دور مي ريزد.

به اين ترتيب, عكس نهايي فقط از قويترين اكو كشف شده از هر نقطه, و نه از جمع اتفاقي چندين علامت تشكيل شده است (اين را «فرانويسي» «Overwriting» گويند). اين دليلي است كه چرا امتحان كننده قادر است با حركات مكرر ترانسدوسر در سطح هر تصوير, يك عكس قابل تشخيصتري بسازد. وقتي تصوير در هدف مبدل اسكن ذخيره شود مي توان شعاع الكتروني را واداشت تا هدف را جاروب كند و ايجاد علامت قابل نشان دادن روي تلويزيون معمولي بنمايد.

دوگونه تيوب اسكن مبدل حافظه وجود دارد. تيوب مبدل اسكن آنالوگ در 1972 درست شد. بعداً, مبدل اسكن ديژيتال جاي آنالوگ را گرفت. اصطلاح هاي «آنالوگ» و «ديژيتال» نزد بيشتر پزشكان نسبتاً مبهمند. به سبب ورود انفجاري اجزاي «ديژيتال» در كارهاي تصويري تشخيصي, ما اين عنوان را موضوع يك فصل تمام كرده ايم. بطور خلاصه, مبدل اسكن ديژيتال تغييرات بلندي اكوهاي دريافتي بوسيله ترانسدوسر را به شماره هاي دوگاني (Binary) تبديل مي‌كند. اين اطلاعات در 16 (4 بيت) يا 32 (5 بيت) و يا بيشتر از آن سطح خاكستري ذخيره مي‌شود كه مي توان روي نمايشگر تلويزيون نشان داد.

مبدل اسكن آنالوگ در استفاده باليني قدري اشكال بوجود مي آورد زيرا سطوح جدول خاكستري كه به هر بلندي اكو منسوب مي شوند متمايلند جريان يابند, و باعث اختلال تصوير شود, و مقايسه بين اسكنهاي انجام يافته در تاريخهاي مختلف را مشكل كند.

همچنين, سوسو زدن نامطبوع تصوير كه روي تلويزيون ديده مي‌شود وجود دارد. اين سوسو زدن مربوط به اين واقعيت است كه تيوب مبدل اسكن بايد در عين حال تصوير را ذخيره كند (بنويسد) و آن را به نمايشگر تلويزيون بفرستد (بخواند). تيوب در زماني كه تصوير دريافت مي‌شود متناوباً وضع خود را به حالت خواندن و نوشتن در مي‌آورد. يك تيوب مبدل آنالوگ قادر است كه اين تبادل را با سرعت ده بار براي هر تصوير تلويزيوني انجام دهد. و ايجاد سوسو زدن قابل ديد كند. تصوير وقتي بوسيله مبدل آنالوگ ذخيره شد, قبل از اينكه زوال تصوير شروع شود مي تواند به مدت ده دقيقه ديده شود.

تيوبهاي مبدل اسكن ديژيتال از جاري شدن (Drift) جدول خاكستري آزادند. آنها سرعت نوشتن خيلي سريعتر از واحد آنالوگ دارند, بنابراين سوسو زدن بر صفحه تلويزيون ندارند. تصوير وقتي ذخيره شود, بر تيوب ذخيره ديژيتال مي تواند هميشه ديده شود. مبدلهاي اسكن ديژيتال براي پردازش پيشرفته كامپيوتر مناسبند و قابل بكاربردن در تصويرسازي ريل تايم هستند. بنابراين به نظر مي‌رسد تيوب حافظه اي مبدل اسكن ديژيتال جانشين دستگاه آنالوگ شود.