کاربردهای شیمیایی و الکتریکی امواج التراسونیک

کاربردهای شیمیایی

اثرات شیمیایی فراصوت، از تخلیه الکتریکی ناشی از فرایند کاویتاسیون ناشی می شود. این پدیده، می تواند مبنایی برای عملکرد آلتراسونیک، به عنوان کاتالیزور در برخی واکنش های شیمیایی باشد. واکنش هایی نظیر اکسیداسیون، احیا، هیدرولیز، پلیمریزاسیون، دپلیمریزاسیون و بازآرایی مولکولی. با استفاده از این خاصیت التراسونیک، برخی از فرآیندهای شیمیایی را می توان با سرعت بیشتر و در دماهای پایین تری انجام داد.

کاربردهای الکتریکی

در این جا باید با مفهومی به نام "خط تأخیر التراسونیک" (Ultrasonic Delay Line) آشنا شویم. این عبارت، به یک لایه نازک از جنس مواد پیزوالکتریک اشاره دارد که برای تولید یک تأخیر دقیق و کوتاه در سیگنال های الکتریکی استفاده می شود.

در ابتدا سیگنال الکتریکی در بلور پیزوالکتریک ارتعاش مکانیکی ایجاد می کند. این ارتعاش در طول بلور عبور کرده و دوباره به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. با ساخت یک کریستال با ضخامت مناسب، می توان تاخیر زمانی بسیار دقیقی را به دست آورد. این دستگاه ها در مدارهای زمان بندی الکترونیکی سریع استفاده می شوند.

تشخیص پزشکی با امواج فراصوت

سرعت انتشار یک موج فراصوت، به شدت به ویسکوزیته محیط بستگی دارد. همین خاصیت می تواند ابزاری مفید در بررسی ویسکوزیته مواد باشد. از آن جا که قسمت های مختلف سلول زنده، ویسکوزیته های مختلفی دارند، یک میکروسکوپ صوتی یا ابزار سونوگرافی، می تواند از این ویژگی سلول ها برای شناسایی سلول های زنده استفاده کند.

با این حال، بسیاری از تصویربرداری های تشخیصی در پزشکی با اشعه ایکس انجام می شود. به دلیل انرژی فوتونی بالای اشعه ایکس، این نوع تابش بسیار یونیزه است. یعنی زمانی که اشعه ایکس از بافت های بدن عبور می کند، به راحتی قادر به از بین بردن پیوندهای مولکولی است. بدیهی است که این تخریب، می تواند منجر به تغییر عملکرد بافت درگیر یا در موارد شدید، نابودی آن شود.

یکی از مزایای مهم فراصوت این است که یک نوع ارتعاش مکانیکی است. یعنی نوعی انرژی غیر یونیزه کننده است. لذا در بسیاری از شرایط حساس که ممکن است اشعه ایکس آسیب رسان باشد، قابلیت استفاده را دارد.همچنین، رزولوشن و تفکیک پذیری اشعه ایکس، به دلیل توانایی نفوذ زیاد آن و تفاوت های جزئی بین بافت های نرم، محدود است. اما تصاویر سونوگرافی تمایز خوبی بین انواع مختلف بافت نرم ایجاد می کنند.مزیت دیگر این است که قابلیت مطالعه حرکت داپلر را دیگر تکنیک ها ندارند. علاوه بر این، در میان تکنیک های مدرن تصویربرداری از اندام های داخلی، دستگاه های اولتراسونیک کمترین هزینه را دارند.

اساس کار سونوگرافی

اسکن اولتراسونیک در تشخیص پزشکی از همان اصل SONAR استفاده می کند. پالس های سونوگرافی با فرکانس بالا (به طور کلی بالاتر از یک مگاهرتز) توسط یک مبدل پیزوالکتریک ایجاد شده و به بدن هدایت می شوند.از آن جا که آلتراسونیک از اندام های داخلی مختلف عبور می کند، دستخوش تغییراتی در امپدانس صوتی قرار می گیرد که باعث انعکاس یا بازتاب آن می شود (مانند تست UT). مقدار و تأخیر زمانی بازتاب های مختلف را می توان برای به دست آوردن اطلاعات در مورد اندام های داخلی تجزیه و تحلیل کرد.

انواع روش های اسکن

به طور کلی سه روش اسکن در سونوگرافی وجود دارد. در حالت B-scan، از یک آرایه خطی مبدل برای اسکن یک صفحه (Plane) در بدن استفاده می شود. داده های حاصل به عنوان یک طرح دو بعدی روی صفحه تلویزیون نمایش داده می شود.در روش A-scan از یک مبدل واحد برای اسکن در امتداد یک خط در بدن استفاده می کند و پژواک ها به عنوان تابعی از زمان رسم می شوند. این روش برای اندازه گیری فاصله یا اندازه اندام های داخلی استفاده می شود.

یک حالت دیگر به نام M-scan وجود دارد که برای ثبت حرکت اندام های داخلی استفاده می شود. برای مثال اگر قصد بررسی اختلال عملکرد قلب را داشته باشیم، باید از M-scan استفاده کنیم.پیش از این نیز گفتیم که وضوح بیشتر در تصویربرداری اولتراسونیک، با استفاده از فرکانس های بالاتر و طول موج های کوتاه تر به دست می آید. به هر حال یکی از محدودیت های امواج فراصوت این است که فرکانس های بالاتر به شدت جذب می شوند.

تشخیص در حوزه زنان و زایمان

از آنجا که امواج فراصوت خاصیت یونیزه کنندگی ندارند، سونوگرافی به یکی از اصلی ترین موارد تشخیص در حوزه زنان و زایمان تبدیل شده است. آمنیوتیک (Amniotic Fluid) یک مایع است که برای تست نقص مادرزادی استفاده می شود.در زمان کشیدن مایع آمنیوتیک، از تصویربرداری اولتراسونیک برای هدایت سوزن و در نتیجه جلوگیری از آسیب به جنین یا بافت های اطراف استفاده می شود. از سونوگرافی از جنین می توان برای تعیین تاریخ بارداری، تشخیص ناهنجاری در رشد جنین و استخراج اطلاعات مفید دیگری استفاده کرد.

درمان و جراحی

از آن جا که فراصوت یک ارتعاش مکانیکی است، می تواند در فرکانس های بالا به خوبی متمرکز شود. از این رو، قابلیت به کارگیری آن برای ایجاد گرمایش موضعی در بافت های بدن وجود دارد. این حرارت های موضعی عمدتا مشکلی ایجاد نمی کنند.از امواج مافوق صوت می توان برای تسکین درد در مفاصل، به ویژه در پشت و شانه استفاده کرد. همچنین، اکنون تحقیقات در مورد درمان انواع خاصی از سرطان با گرمایش موضعی در حال انجام است. چرا که تمرکز امواج فراصوت شدید، می تواند فقط ناحیه تومور را گرم کند. در حالی که بر بافت اطراف تأثیری نمی گذارد.

یکی از کاربردهای جالب دیگر، جراحی بدون قابلیت ردیابی (Trackless Surgery) است. یعنی نوعی جراحی که نیازی به برش پوست تا ناحیه آسیب دیده ندارد. برای مثال، از التراسونیک متمرکز برای درمان بیماری "پارکینسون" استفاده می شود. در این فرایند، با ایجاد ضایعات مغزی در مناطقی که در جراحی عادی غیرقابل دسترس هستند، به درمان این بیماری سرعت می بخشند.یکی دیگر از کاربردهای معمول این روش، تخریب سنگ کلیه است. در برخی موارد، دستگاهی به نام لیتوتریپتر اولتراسونیک (Ultrasonic Lithotripter) فراصوت را با کمک اشعه ایکس متمرکز می کند.

هشدارهای ایمنی

افرادی که به علت شغل خاصشان، با امواج مافوق صوت سرو کار دارند، لازم است بدانند شدت های صوتی بیش از 120 دسی بل، ممکن است منجر به کاهش شنوایی شود. قرار گرفتن در معرض امواجی با شدت بیش از 155 دسی بل، ممکن است اثرات گرمایشی برای بدن انسان ایجاد کند. در نهایت قرار گرفتن در معرض امواجی با شدت بیش از 180 دسی بل، ممکن است منجر به مرگ شود.