الموجات فوق الصوتية Ultrasound أصوات ذات ترددات أعلى من مدى السمع البشري. ويقصد بالتردد عدد موجات الصوت التي يصدرها جسم يهتز في الثانية الواحدة. ويقاس التردد بوحدة تسمى الهرتز حيث يساوي الهرتز الواحد دورة (اهتزازًا) واحدة في الثانية. ويتمكن أغلب الناس من سماع الأصوات التي تقع تردداتها بين 20 و20,000 هرتز. ويبلغ مقدار تردد الموجات فوق الصوتية أكثر من 20,000 هرتز. وقد قام الفهماء بتطوير عدة استخدامات للموجات فوق الصوتية في مجالي الطب والصناعة. وإضافة إلى ترددها العالي، فإن لهذه الموجات خصائص تميزها عن الأصوات التي يسمعها بنوالبشر. فهي على سبيل المثال أقصر من موجات الأصوات المسموعة. وعندما تقابل الموجات القصيرة الخاصة بالموجات فوق الصوتية عقبات صغيرة،فإنها ترتد أوتنعكس بسهولة، مكونة الأصداء، بينما تتخطى الموجات الأكثر طولاً للصوت المألوف هذه العقبات الصغيرة دون أي رد يذكر. وتستفيد من الموجات فوق الصوتية جميع من الخفافيش والدلافين، وكذلك بعض الحيوانات الأخرى التي تستطيع سماع ترددات أعلى من 20,000 هرتز. والمعروف حتى الخفافيش تصدر صرخات ذات موجات فوق صوتية قصيرة ترتد من الأجسام المجاورة محدثة أصداء تستفيد منها الخفافيش لتحديد أماكن الحشرات أوالمواد الأخرى التي تقتات بها،كما تستفيد منها في تجنب العقبات التي تعترضها.

ويدرسها فرع من الفيزياء يعهد باسم فوق الصوتيات ultrasonics. تولِّد مولدات الأمواج فوق الصوتية الحديثة أمواجاً يبلغ تواترها بضعة جيجا هرتز (1GHz = 109 Hz)، وذلك عن طريق تحويل تيارات متناوبة عالية التواتر إلى اهتزازات ميكانيكية. ويتم عادة الكشف عن هذه الأمواج باستخدام بلورات كهرضغطية piezoelectric أوبوسائل ضوئية، حيث يمكن بالإفادة من انعراج الضوء جعل هذه الأمواج مرئية. ويبين الشكل (1) دارة إلكترونية صمامية تستخدم لكشف الأمواج فوق الصوتية، وفيها تظهر بلورة Q مولَّفة بحيث تتحسس بتواتر اهتزاز الموجة فوق الصوتية المطلوب كشفها، وهي تتصل بشبكة صمام ثلاثي المساري. ويتصل مصعد الصمام بجهد مستمر عالٍ عبر مقاومة R فتظهر بين طرفيها إشارة خرج الصمام، أي إشارة الكشف مكبَّرة، ثم تمرَّر عبر مكثفتين C1 وC2 إلى مربطين A وB فجهاز قياس مناسب. ويتضح دارة إلكترونية حديثة لكشف الأمواج فوق الصوتية وتحويلها إلى صوت مسموع.

نظرة تاريخية عن الأمواج فوق الصوتية

دخلت الأمواج فوق الصوتية كوسيلة تشخيصية إلى عالم الطب لأول مرة في عام 1942 من قبل العالم Dussik الذي حاول بوساطتها تحديد الأورام الدماغية . وفي عام 1952 استخدم Donald الأمواج فوق الصوتية في بعض القياسات داخل الرحم مثل قياسات رأس الجنين وفحص أعضائه الأخرى وتطور استخدام هذه الأمواج خلال السبعينيات حيث تم استخدام أجهزتها بشكل هائل .

إنتاج الموجات فوق الصوتية

اخترع الفهماء صفارات وأجهزة أخرى، لإنتاج الموجات فوق الصوتية. ويعد محول الموجات الذي يحول الطاقة الكهربائية إلى موجات فوق صوتية أحد أكثر الأجهزة استخدامًا. وبعض هذه المحولات تتضمن قرصاً خاصاً من مادة المرو(الكوارتز) أومن مادة السيراميك، وعند تسليط إشارة كهربائية على القرص يهتز القرص بسرعة عالية محدثًا موجات فوق صوتية.

ويمكن للعديد من المحولات حتى تُحوِّل أيضًا الموجات فوق الصوتية إلى طاقة كهربائية. ومثل هذه المحولات تحدث موجات فوق صوتية وتُحوِّل في نفس الوقت الأصداء المرتدة مرة أخرى إلى إشارات كهربائية. وتُحْدث الأصداء القوية نبضات كهربائية أقوى من تلك التي تحدثها الأصداء الضعيفة. ويقوم حاسـوب بتسجيل بيانات شـدة النبضـات الكهربائية واتجاه الأصداء المرتدة. ويمكن للحاسوب حتى يمدنا عندئذ بمعلومات عن المادة التي عكست الموجات فوق الصوتية. وبعض هذه الحواسيب يحول البيانات التي يتلقاها إلى صورة تظهر على الشاشة.

الأمواج الصوتية هي أمواج ميكانيكية تمثل اهتزازاتٍ ذات مجال ترددي يتراوح ما بين 20 KHz وحتى 1 GHz ويمكن لهذه الاهتزازات الميكانيكية حتى تنتشر كأمواج فوق صوتية في الأوساط الغازية والسائلة والصلبة ويعتمد انتشار هذه الأمواج بصورة أساسية على وسط الانتشار فهي تحافظ على خواصها في الأوساط الغازية والسائلة إذ لا تظهر أية جهود انحراف على هذه الأمواج في الأوساط المذكورة مما يجعلها تسير بشكل طولي أي حتى اتجاه الاهتزازقد يكون موازياً لاتجاه الانتشار . تعبر التغيرات التي تطرأ على الأمواج فوق الصوتية عن الخواص الأساسية للجسم الصلب . يتكون الصوت من اهتزازات متناغمة للجزيئات , حيث ينتقل الاهتزاز من [جزيء] إلى آخر أي حتى الاضطراب هوالذي ينتقل وليس الجزيئات وإن تواجد الأصوات يرتبط بوجود المادة فالصوت لا يتكون في الخلاء .

تتصف الأمواج فوق الصوتية بما يلي : ترددها عالٍ جداً ولا يمكن للأذن البشرية سماع هذا التردد لأنه أعلى من 20 KHz . يتراوح المجال الترددي للأمواج فوق الصوتية المستخدمة في الطب ما بين (1 – 5) MHz وهذا يوافق الأطوال الموجية ما بين (0,1 – 1,5) mm مع الفهم حتى هذه الأمواج هي أمواج ميكانيكية .

يبين الجدول التالي سرعات انتشار الآمواج فوق الصوتية في مختلف الأوساط الحيوية :

النسيج الحيوي سرعة الانتشار

الشحوم 1,44 الدماغ 1,51 الكلية 1,56 الكبد 1,56 العضلات 1,57 الأنسجة المرنة 1,54

توليد الأمواج فوق الصوتية وفقاً للمبدأ الكهربلوري

الأثر الكهربلوري :تتولد في بعض البلورات تحت تأثير الضغط أوالشد باتجاهات معينة وعلى سطوح محددة لهذه البلورات شحنات كهربائية تتناسب طرداً مع قيمة الضغط أوالشد المطبق على هذه البلورات وتتغير إشارة هذه الشحنات عندما يتحول الضغط إلى حالة شد أوسحب وبالنسبة لهذه المحاور . إذا تم وضع مثل هذه البلورات في حقل كهربائي بحيثقد يكون اتجاه الحقل هونفسه اتجاه محور البلورة فإنها يفترض أن تتمدد أوتتقلص في اتجاهات محددة وبالتالي يمكن التمييز بين حالتي التأثير الطولي والعرضي أيضاً .

مولد الأمواج فوق الصوتية الكهربلوري

كمواد خرج للمهتزات البلورية يتم استخدام بلورات تيتانات الباريوم BaTiO3 وبعض البلورات الرصاصية حيث يتم وضع البلورة بين صفيحتي المكثف حيثقد يكون اتجاه الحقل الكهربائي في اتجاه محور البلورة نفسه ويتم التأثير في صفائح المكثفة بحقل كهربائي متغير الطور , وبالتالي فإن البلورة وتحت تأثير الحقل المتناوب تتقلص في أحد أطوارها وتتمدد في الطور الثاني مما يجعلها تقدّم وتحت تأثير التردد المتغير اهتزازاتٍ مرنةً تكون ذات سعة عالة في حالة الرنين . ونتيجةً لهذا التأثير الطولي والعرضاني المتبادل للحاثة الكهربلورية تقدم البلورة اهتزازات عرضية في اتجاه X واهتزازات طولية في اتجاه Y . وتولد البلورة تحت تأثير الاهتزازات المنعكسة جهوداً كهربائيةً بصورة معاكسة لما يحدث عند توليد الأمواج وبعد ذلك تضخم الإشارات الضعيفة وتظهر على شاشة راسم الإشارات وعادةً تبتر الكثير من البلورات وفقاً لمتطلبات التردد المطلوب للتصوير كما حتى تطبيق جهد كهربائي يؤدي إلى زيادة أونقصان سماكة البلورة وبالتالي توليد الأمواج فوق الصوتية .

ظــاهرة دوبلــر

استخدمت هذه الظاهرة في المجالات الطبية المتعددة منذ أكثر من 30 عاماً , وبسبب خاصة الإصدار النبضي لمفعول دوبلر فقد اتسعت دائرة استخدام هذه الظاهرة لتضم مجالات أخرى واسعة وفتح مجالاً جديداً لتقنية قياس جديدة في إطار دراسة السوائل المتحركة وتعهد ظاهرة دوبلر بأنها التغير في تردد حركة موجية إشعاعية عندما تكون هناك حركة نسبية بين منبع الإشعاع والمراقب . يدل المصطلح Doppler Ultrasound Velocimetry على تقنية قياس سرعة الجسم المتحرك عن طريق إيجاد تردد الإشارة الواردة عن هذا الجسم حيث يمكن استنتاج السرعة من فهم ترتيب النبضات بالنسبة لبعضها بعضاً فإذا تحرك المنبع الصوتي باتجاه السامع أوتحرك السامع باتجاه المنبع الصوتي فإن الموجات الصوتية تنضغط مع بعضها بعضاً وتُسمع بالتالي بشكل تردد أعلى من التردد الأصلي Fo وكذلك عندما يتحرك المنبع بعيداً عن السامع أوعندما يتحرك السامع بعيداً عن المنبع فإن السامع يلتقط الصوت بتردد أقل من تردده الأصلي Fo وتستخدم هذه الظاهرة لقياس سرعة السامع المتحرك أوالمصدر الصوتي المتحرك وذلك إذا عهدنا قيمة التردد Fo وتمكننا من قياس التردد المستقبل من قبل السامع وإن أثر دوبلر يمكن حتى يستخدم لقياس حركة الأعضاء أوالسوائل داخل الجسم مثل حركة الدم داخل الشرايين أوالأوعية الدموية وكذلك يمكنه الكشف عن حركة قلب الجنين . في أجهزة الأمواج فوق الصوتية الطبية التي تعتمد على مفعول دوبلر يتوضع جميع من المنبع (المبدل المرسل) والمراقب (المبدل المستقبل) بشكل ثابت بالنسبة للوسط (النسيج) في داخل المجس .

مبدأ عمل مفعول دوبلر النبضي

تكمن الفائدة الأساسية لأمواج دوبلر فوق الصوتية في مقدرتها على عرض المعلومات المكانية المرتبطة بقيم السرعة حيث يرسل الباعث في هذه الحالة دفعاتٍ من الأمواج فوق الصوتية بشكل دوري بدلاً من إرسال موجات فوق صوتية مستمرة ويقوم المبدل (اللاقط) باستقبال صدى هذه الأمواج بشكل متواصل من الهدف الواقع في طريق حزمة الأمواج فوق الصوتية .

يعتمد مفعول دوبلر بشكل أساسي على انعكاس وتبعثر الأمواج فوق الصوتية نتيجةً لاصطدامها مع النسج الحيوية وإن ما يعطي مفعول دوبلر فعاليته وإمكانيته على إعطاء المعلومات المطلوبة هووجود الكريات الحمراء داخل الأوعية الدموية والتي تتحرك باتجاه المبدل أوقريباً منه وبسرعات مختلفة . ويوضح الشكل التالي علاقة البارامترات البدائية مع البارامترات النهائية في مفعول دوبلر :

بنفس الكيفية تنتج الأمواج فوق الصوتية من الكريات الحمراء بينما تعود إشارات الصدى (ECHO) إلى المبدل حيث يطرأ عليها تغير طفيف في التردد بمقدار∆F) ) ويعتمد تغير التردد على مقدار واتجاه سرعة جريان الدم (V) حيثقد يكون انتشار الإشارة داخل الأوعية الدموية أضعف من انتشار الإشارات الناتجة عن السطح الفاصل بين الأوعية الدموية والأنسجة المحيطة وكذلك الأعضاء حيث تتراوح النسبة بين هذين الانتشارين من 100 إلى1000 ومع ذلك فإننا نحتاج إلى تقنية نظام حساس جداً من أجل كشف ومعالجة هذا الاختلاف .

يقاس تغير التردد بواسطة تقنية دوبلر ويعهد هذا التردد أيضاً بتردد دوبلر . يعتمد تغير التردد على : 1.[[ تردد النقل]] حيثقد يكون تغير التردد أعلى باختيار تردد نقل أعلى . 2.[[ زاوية الورود]] حيث يبلغ تغير التردد ∆f قيمته الأعظمية عندما تكون زاوية ورود حزمة الأمواج عموديةً على محور الوعاء الدموي (0=cosθ ) . يزيد تأثير دوبلر أويخفض من تردد إشارة الصدى ( f ) الصادرة من الوعاء الدموي بواسطة تردد دوبلر ( ∆f ) اعتماداً على اتجاه مجرى الدم أي حتى تردد إشارة الصدى يحتوي أيضاً على معلومات للقياس المباشر للجريان ( دوبلر ثنائي الإتجاه ) . يتم قياس تردد دوبلر ∆f ضمن المجال الترددي من 2-10) MHz) أما فيزيولوجية سرعة الجريان فتتراوح قيمتها من عدة ميليمترات في الثانية وحتى(1 – 2) m/sec وذلك ضمن المجال السمعي من 50Hz حتى 16KHz إلى غير ذلك يوجه تردد دوبلر ∆f مباشرةً إلى الأذن كإشارات سمعية .

مخاطر استخدام الأمواج فوق الصوتية على النسج الحيوية

ترتبط التأثيرات الحيوية للأمواج فوق الصوتية بالتوزع الحجمي وبمدة التأثير الزمني لهذه الأمواج في الأعضاء الحية كما تلعب جميع من كثافة الأمواج فوق الصوتية وترددها دوراً مهماً في تحديد هذا الأثر وقد أثبتت الدراسات الأمريكية عدم وجود تأثير ضار في جسم الإنسان للأمواج فوق الصوتية إذا كانت كثافتها أقل من 100 [mw/cm2] ومن أجل زمن تعريض يزيد على 1 sec وطاقة لا تقل عن 50 [Joul/cm2] مع الفهم حتى جميع حزم الأمواج فوق الصوتية التشخيصية لها شدة أقل من10 [mw/cm2] وقد ثبت ذلك نتيجة الدراسات على الولادات الباكرة وذلك منذ تقديم الأمواج فوق الصوتية لاستخدامها كوسيلة تشخيصية في المجال الطبي .

ميزات ومساوئ استخدام الأمواج فوق الصوتية في الطب

إن استخدام الأمواج فوق الصوتية في الطب يقدم الكثير من الميزات المهمة نذكر منها :

1. تحت معظم شروط التطبيق فإن الأمواج فوق الصوتية تظهر التأثير غير السام على الأنسجة الطبيعية .

2. إن التقنية العامة لتوليد ومراقبة حزم الأمواج فوق الصوتية واضحة المعالم وغير مكلفة نسبياً .

3. يمكن التحكم بحزم الأمواج فوق الصوتية بسهولة حيث يمكن تشغيلها أوإطفاؤها بسهولة وكذلك توجيهها بوساطة تغيير التردد حيث يتغير عمق الاختراق .

4. يمكن هجريز الحزم فوق الصوتية في مناطق حقلية بحجم صغير من الميليمترات بشروط ملائمة .

إلا حتى للأمواج فوق الصوتية بعض المساوئ يمكن حتى نذكر منها :

1. عدم القدرة على اختراق المناطق التي تحوي على أوساط غازية .

2. يؤدي معامل الامتصاص العالي للأمواج فوق الصوتية في العظم إلى حدوث حرارة عالية وألم في السمحاق .

مبدأ عمل الدارة

يلتقط اللاقط الأمواج فوق الصوتية ويحولها إلى اهتزازات كهربائية، فيضخمها الترانزستوران Q1 وQ2، ثم تنتقل إلى الدارة التكاملية U1 فتدخلها عبر المربط 14، تقوم الدارة التكاملية بمقارنة الطور بين الإشارة الملتقطة وإشارة تولِّدها الدارة التكاملية يمكن التحكم بتواترها بفضل مجزئ الكمون R9، وتعطي الدارة تواتراً يساوي الفرق بين التواتر الملتقط والتواتر المولّد وذلك عند المربط 2. يقوم الترانزستور Q3 بتضخيم إشارة الفرق، وتنتقل الإشارة عبر المحول T1 إلى سمّاعات بصورة تواتر مسموع.

تطبيقات لم فوق الصوتيات

لفهم فوق الصوتيات تطبيقات عديدة في مجالات الفيزياء والكيمياء والتقانة والطب. فقد استخدمت الأمواج فوق الصوتية منذ أمد بعيد لتوفير الاتصالات تحت الماء وللكشف عن الأجسام الغاطسة تحته كالغواصات، فيما يسمى بأجهزة السونار SONAR، وهي أجهزة تشبه الرادار في عملها إلا أنها تستخدم أمواجاً فوق صوتية لأداء مهمتها. كما تعد أجهزة السونار أجهزة أساسية لتوفير سلامة الملاحة البحرية. ويبين الشكل (3) جهاز سونار مربوط بسفينة لأغراض شتى. وتستخدم الأمواج فوق الصوتية في الفيزياء لتحديد خواص المواد كالانضغاطية compressibility، والمرونة elasticity، ونسب الحرارات النوعية specific heat ratios. كما تستخدم الأمواج فوق الصوتية في الكيمياء لإنتاج مستحلبات emulsions متجانسة كالمستعملة في خلق أفلام التصوير، وكذلك للكشف عن التشقُّقات في الصفائح وغيرها. وقد استخدمت الأمواج فوق الصوتية التي تقع تواتراتها في مجال الـ GHz لصنع «مجهر» صوتي يمكنه تمييز أبعاد من رتبة الميكرون. وتؤدي الأمواج السطحية التي تقع تواتراتها في المجال فوق الصوتي والمعروفة اختصاراً بـ SAW أي Surface Acoustic Waves دوراً مهماً في تجهيزات التحكُّم الإلكترونية.

الاستعمالات الخاملة

تتضمن تلك الاستعمالات التي تستخدم فيها الموجات فوق الصوتية في الحصول على المعلومات فقط. على سبيل المثال، يستخدم الأطباء الموجات فوق الصوتية للتأكد من نموالأجنة0 ويمكن لبعض معدات الموجات فوق الصوتية رسم صورة الجنين على شاشة. كما تساعد هذه المعدات أيضاً في تشخيص الأورام وحصوات المرارة وأمراض القلب، علاوة على بعض الاضطرابات الأخرى. ويعتقد معظم الأطباء أنه لاتوجد آثار جانبية خطيرة للفحوص التي تستخدم فيها الموجات فوق الصوتية.

ويستعمل رجال الصناعة الموجات فوق الصوتية لقياس سمك جدران الأنابيب المعدنية أوالبلاستيكية ولاختيار هجريز الجسيمات في حبر الكتابة ومواد الطلاء. كما تقوم أجهزة السونار بتحديد مواقع السفن المعادية والتجمعات السمكية وعوائق الأغوار باستخدام الموجات فوق الصوتية.

الاستعمالات الفاعلة

تضم الاستعمالات التي تستخدم فيها الموجات فوق الصوتية تأثيرات معينة في المواد. على سبيل المثال، يمكن حتى تزيل هذه الموجات أورام الدماغ وتفتت حصوات الكلى. وكذلك يمكن استخدامها لتنظيف الساعات والأجهزة الدقيقة الأخرى ولمزج المواد الكيميائية. وعند بعض الترددات، يمكن حتى تولد هذه الموجات طاقة كافية للحام بعض المعادن.

المصادر

• الموسوعة المعهدية الكاملة
• * الموسوعة العربية

أنظر أيضا

• Acoustics
• Bat detector
• Infrasound — sound at extremely low frequencies
• Light
• Medical ultrasonography
• Picosecond Ultrasonics
• Sound
• Sound from ultrasound (also known as Hypersonic sound)
• Waves
• Sonomicrometry

مراجع

قراءات أخرى

• Kundu, Tribikram. Ultrasonic nondestructive evaluation: engineering and biological material characterization. Boca Raton, FL: CRC Press, c2004. ISBN 0849314623.
• Guidelines for the Safe Use of Ultrasound: valuable insight on the boundary conditions tending towards abuse of ultrasound.
• High-frequency hearing risk for operators of industrial ultrasonic devices:
• Safety Issues in Fetal Ultrasound:
• Damage to red blood cells induced by acoustic cavitation(ultrasound):