پنجره‌ای به اعماق بدن: دنیای شگفت‌انگیز سونوگرافی

سونوگرافی یا تصویربرداری با امواج فراصوت (Ultrasound Imaging)، یک روش تصویربرداری غیرتهاجمی است که در بسیاری از شاخه‌های پزشکی کاربرد دارد. از تشخیص بیماری‌های قلبی و عروقی و بررسی رشد جنین در دوران بارداری گرفته تا ارزیابی تومورها و بررسی مفاصل، سونوگرافی ابزاری فوق‌العاده ارزشمند برای پزشکان محسوب می‌شود؛ به‌ویژه چون در سونوگرافی از اشعه‌ی ایکس استفاده نمی‌شود، روش مناسبت‌تری برای بیماران از هر گروه سنی، از جمله زنان باردار، است.

در زمان جنگ جهانی اول، دانشمندان فرانسوی برای یافتن زیردریایی‌های دشمن از امواج فراصوت استفاده می‌کردند. استفاده از امواج فراصوت در آن زمان دستاورد بزرگی به‌حساب می‌آمد. در سال ۱۹۵۶، پروفسور ایان دونالد (Ian Donald) در بیمارستان زایمان سلطنتی گلاسگو برای اولین بار از سونوگرافی برای تشخیص پزشکی و اندازه‌گیری قطر سر جنین استفاده کرد.

این اقدام نقطه‌ی عطفی در توسعه‌ی سونوگرافی به‌عنوان ابزاری کاربردی در تشخیص‌های پزشکی، مراقبت‌های بارداری و سلامت جنین بود. سونوگرافی از آن زمان تاکنون به یکی از رایج‌ترین و ایمن‌ترین روش‌ها در تشخیص و پایش وضعیت جنین در دوران بارداری تبدیل شده است. در سونوگرافی، از امواج فراصوت برای تصویربرداری از اندام‌های داخلی بدن استفاده می‌کنیم.

در این مطلب، ابتدا با فیزیک حاکم بر دستگاه سونوگرافی آشنا می‌شویم، سپس درمورد تصویربرداری با آن صحبت می‌کنیم.

صوت از نوع انرژی مکانیکی است و برای انتقال از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر نیاز به محیط مادی (جامد، مایع و گاز) دارد و از طریق امواج فشاری منتقل می‌شود. به تعداد نوسان یا ارتعاشِ (چرخه‌ی حرکت) ذراتِ محیط در هر ثانیه، فرکانس می‌گوییم که یکی از ویژگی‌های مهم امواج صوتی است.

امواج صوتی از طریق ارتعاش مولکول‌ها و تغییر فشار آن‌ها، به مولکول‌های مجاور منتقل می‌شوند. این انتقال به‌صورت مکانیکی و طی فرایندی به‌نام انتشار انجام می‌شود. همان‌طور که گفتیم امواج صوتی، برخلاف امواج الکترومغناطیسی مانند اشعه‌ی ایکس، برای انتشار به یک محیط مادی و الاستیک نیاز دارند. امواج الکترومغناطیسی می‌توانند در خلأ حرکت کنند، اما امواج صوتی به ماده‌ای نیاز دارند که بتوانند از طریق آن منتقل شوند.

صوت در محیط‌های مختلف به‌دلیل ویژگی‌های فیزیکی متفاوت، با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کند. به‌عنوان مثال، امواج صوتی در محیط‌های جامد سریع‌تر از مایعات و گازها حرکت می‌کنند، زیرا مولکول‌های مواد جامد به یکدیگر نزدیک‌تر هستند و انتقال انرژی به‌صورت مؤثرتری صورت می‌گیرد. از این‌ رو سرعت صوت در ماده‌ای جامد حدود ۶۰۰۰ متربرثانیه، در مایع با دمای ۲۰ درجه‌ی سلسیوس حدود ۱۴۸۱ متربرثانیه و در هوا حدود ۳۴۳ متربرثانیه است.

اجازه دهید برای درک بهتر انتشار امواج صوتی در محیط، با مثالی ساده این فرایند را توضیح دهیم. فرض کنید بلندگو یا میکروفونی دارید و با آن برای جمعیتی سخنرانی می‌کنید. هنگامِ پخش صدا از بلندگو، دیافراگم آن به سمت جلو و عقب حرکت می‌کند. حرکتِ ارتعاشی دیافراگم سبب فشردگی و تراکم مولکول‌های هوا در نزدیکی آن می‌شود. این بدان معنا است که ارتعاش دیافراگم، مولکول‌های هوا را نیز به ارتعاش درمی‌آورد و این ارتعاش به مولکول‌های مجاور منتقل خواهد شد.

همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، مولکول‌های هوا در نزدیکی بلندگو (منبع صوت) به شکل سینوسی نوسان می‌کنند. همان‌طور که گفتیم دستگاه سونوگرافی به‌کمک امواج فراصوت، از اندام‌های داخلی بدن تصویربرداری می‌کند. امواج فراصوت، امواج صوتی هستند که در فرکانس‌هایی بالاتر از ۲۰ هزار هرتز نوسان می‌کنند؛ یعنی بالاتر از گستره‌ی فرکانسی که گوش انسان تشخیص می‌دهد (بین ۲۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتز). برخی حیوانات مانند جغد می‌توانند به‌طور طبیعی امواج فراصوت تولید و از آن برای ارتباط و «اکولوکیشن» (Echolocation) استفاده کنند.

اکولوکیشن روشی است که خفاش‌ها از آن برای پیدا کردن مسیر و شناسایی اجسام یا حیوانات دیگر در محیط استفاده می‌کنند. خفاش با تولید موج فراصوت، آن را به محیط اطراف خود می‌فرستد. موج ارسال‌شده پس از برخورد به اجسام مختلف، پژواک می‌شود و به خفاش می‌رسد. خفاش پس از دریافت موج بازتابیده و با تحلیل مدت زمانِ بازگشت و شدت صوت، مکان و فاصله‌ی اجسام را شناسایی می‌کند.

فرض کنید دو محیط مختلف مانند هوا و آب داریم که موج فراصوت با حرکت از هوا به آب، به مرز جداکننده‌ی آن‌ها برخورد می‌کند. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ قسمتی از موج از مرز جداکننده‌ی دو محیط منعکس و قسمتی از آن پس از عبور از مرز، وارد آب می‌شود. به این حالت، انعکاس جزئی می‌گوییم، زیرا تنها قسمتی از موج تابیده‌شده، منعکس شده است. بنابراین، هر زمان موج فراصوت به مرز جداکننده‌ی دو محیط برخورد می‌کند، قسمتی از آن منعکس و قسمتی دیگر وارد محیط دوم می‌شود.

حال فرض کنید امواج فراصوت را به جسمی می‌تابانیم که مرزهای مختلفی دارد، بنابراین، قسمتی از امواج پس از برخورد به هر مرز، به سمت ما برمی‌گردد. با دانستن سرعت حرکت امواج صوت و مدت زمانِ انعکاس آن می‌توانیم فاصله‌ی هر مرز را به‌دست آوریم. این حالت، مشابه زمانی است که خفاش از امواج فراصوت برای تعیین فاصله‌ی اجسام مختلف استفاده می‌کند. با جمع‌آوری و بررسی تمام امواج بازتابیده، اطلاعاتی را در مورد مرزهای مختلف داخل جسم و ساختار آن به‌دست می‌آوریم.

سؤال مهم این است که چه عواملی سرعت حرکت امواج صوت در محیط را تعیین می‌کنند. چگالی محیط یکی از عوامل تعیین‌کننده‌ی سرعتِ حرکت صوت است. هرچه محیطی چگال‌تر باشد، صوت با سرعت کمتری در آن حرکت می‌کند. همچنین، هرچه محیطی تراکم‌پذیرتر باشد، سرعت حرکت صوت در آن محیط کمتر خواهد بود. علاوه بر چگالی و تراکم‌پذیری، سختی محیط نیز بر سرعت حرکت صوت در محیط تأثیر می‌گذارد؛ سختی بیشتر، سرعت بیشتر.

اینجا به یک پارادوکس می‌رسیم. در ابتدای این بخش اشاره کردیم صوت با سرعت بیشتری در ماده‌ی جامد، در مقایسه با گاز یا مایع، حرکت می‌کند. اما چگالی جامد از مایع و گاز بیشتر است! باید به این نکته توجه کنیم که تأثیر هر عامل بر سرعت صوت یکسان نیست و تأثیر چگالی بر سرعت، کمتر از تأثیر تراکم‌پذیری است. به‌ عنوان مثال، اگرچه چگالی جیوه ۱۳٫۵ برابر چگالی آب است، صوت در آب و جیوه تقریباً با سرعت یکسانی حرکت می‌کند. دلیل این موضوع به تراکم‌پذیری ۱۳٫۴ برابری آب نسبت به جیوه برمی‌گردد.

این موضوع در تصویربرداری با امواج فراصوت بسیار کمک‌کننده است. هنگام تصویربرداری از بافت‌های نرمِ داخل بدن، فرض می‌کنیم صوت با سرعتی ثابت داخل همه‌ی بافت‌های بدن (مانند کبد و کلیه) حرکت می‌کند؛ البته سرعت صوت در بافت‌های انسان متفاوت است. به‌ عنوان مثال، مقدار آن در بافت سینه حدود ۱۴۳۰ متربرثانیه و در عضلات حدود ۱۶۴۷ متربرثانیه است. با وجود این تفاوت‌ها، دستگاه‌های سونوگرافی معمولاً برای بازسازی تصاویر از یک سرعت ثابت (۱۵۴۰ متربرثانیه) استفاده می‌کنند.

تا اینجا با فیزیک حاکم بر دستگاه سونوگرافی آشنا شدیم. در ادامه، درمورد تصویربرداری با این دستگاه صحبت می‌کنیم.

در دستگاه سونوگرافی برای تصویربرداری از وسیله‌ای به‌نام «ترنسدیوسر» (Transducer) استفاده می‌کنیم. ترنسدیوسر یا مبدل، دستگاهی است که انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌کند. در سونوگرافی به‌کمک مبدل‌ها، امواج صوتی را به درون بدن می‌فرستیم و امواج بازتابی از بافت‌های داخلی را دریافت می‌کنیم. این امواج بازگشتی به تصاویر تبدیل می‌شوند که پزشکان از آن‌ها برای بررسی اندام‌ها و بافت‌های داخلی بدن استفاده می‌کنند.

برای تصویربرداری، پزشک ترنسدیوسر را به‌صورت تصویر زیر روی پوست قرار می‌دهد. در ادامه، ترنسدیوسر انرژی الکتریکی را دریافت و آن را به انرژی صوتی تبدیل می‌کند. قسمتی از موج صوتی فرستاده‌شده پس از رسیدن به بافت‌ها، از آن‌ها منعکس می‌شود و به ترنسدیوسر برخورد می‌کند. به‌بیان دیگر، دستگاه سونوگرافی پس از ارسال موج صوتی (پالس صوتی) به درون بدن، منتظر بازگشت یا اکوی آن موج از بافت‌های بدن است.

دستگاه براساس مدت زمانِ لازم برای رسیدن امواجِ بازتابی به ترنسدیوسر، محل دقیق بازتاب امواج (فاصله یا عمقی که موج از آنجا می‌آید) را محاسبه و یک پیکسل متناظر با آن، در تصویر ایجاد می‌کند. با تکرار این فرایند به‌طور پیوسته، یک تصویر دو بعدی از برش عرضی بافت‌ها تشکیل می‌شود.

دستگاه به‌سادگی عمق یا فاصله را محاسبه می‌کند. سرعت صوت را در بافت‌های مختلف، ثابت فرض کردیم. بنابراین، با اندازه‌گیری زمان ارسال، بازتاب بخشی از موج صوتی از بافت و رسیدن دوباره‌ی آن به ترنسدیوسر به‌راحتی می‌توانیم فاصله‌‌ای را که موج از آنجا منعکس شده است، به‌‌دست آوریم. با توجه به شدت موجِ رسیده به ترنسدیوسر می‌توانیم مقدار روشنایی پیکسل را تعیین کنیم.

برای داشتن درک بهتری از تصویربرداری با امواج فراصوت باید کمی با رفتار این امواج داخل بافت‌های بدن آشنا شویم. چگونگی برهم‌کنش امواج فراصوت با بافت‌های داخلی بدن، نقش مهمی در تصاویر ایجادشده ایفا می‌کند. در ادامه، در این مورد بیشتر صحبت می‌کنیم.

همان‌طور که در بخش قبل اشاره کردیم، قسمتی از امواج فراصوت پس از رسیدن به مرز جداکننده‌ی دو محیط، منعکس می‌شوند. این اتفاق هنگام برخورد این موج با بافت‌های داخلی بدن نیز رخ می‌دهد. مرزِ بافت، دو بافت متفاوت را از یکدیگر جدا می‌کند. امواج فراصوت می‌توانند پس از عبور از ماهیچه به چربی برسند. به مرزِ بین ماهیچه و چربی، مرزِ بافت می‌گوییم.

هنگام برخورد امواج فراصوت به مرز بین بافت‌ها، هریک از حالت‌های زیر ممکن است رخ دهند:

• قسمتی از موج تابیده به مرز، از آن عبور می‌کند و مابقی آن از مرز منعکس می‌شود.
• تمام موجی که به مرز برخورد می‌کند، در راستای موج تابیده، از آن منعکس می‌شود.
• موج تابیده‌شده، به‌صورت آینه‌ای یا غیرآینه‌ای از مرز دو بافت، منعکس می‌شود.
• موجِ تابیده‌شده به مرز بافت، داخل آن پراکنده می‌شود. این حالت زمانی رخ می‌دهد که واحدهای تشکیل‌دهنده‌ی بافت، کوچک‌تر از طول موج فراصوتِ تابیده شده باشد. دراین حالت، بیشتر انرژی موج تابیده‌شده به بافت از بین می‌رود و قسمتی از آن در تمام جهت‌ها پخش می‌شود.

آنچه نوع برهم‌کنش امواج فراصوت در مرز بافت را مشخص می‌کند، «امپدانس صوتی با مقاومت صوتی» (Acoustic Impedance یا Z) نام دارد. امپدانس صوتی ویژگی ذاتی در هر بافت است و از حاصل‌ضرب چگالی بافت در سرعت حرکت صوت داخل آن بافت به‌دست می‌آید. به‌ زبان ساده، امپدانس صوتی نشان‌دهنده‌ی میزان مقاومت یک ماده در برابر عبور امواج صوتی از درون آن است.

فرض کنید پالس فراصوت را به بافت مشخصی داخل بدن بیمار می‌فرستیم. پالس هنگام رسیدن به مرزِ بافت، با بافت دیگری با امپدانس صوتی متفاوت روبه‌رو می‌شود. مقدار تفاوت امپدانس صوتی بین دو بافت، مقدار موج فراصوت عبوری از مرز و مقدار موج منعکس‌شده (اکو) را تعیین می‌کند. جدول زیر امپدانس صوتی محیط‌های متفاوتی را نشان می‌دهد.

همان‌طور که در جدول بالا مشاهده می‌کنید، مقدار امپدانس صوتی در آب و استخوان، تفاوت چشمگیری با یکدیگر دارند. اگر مقدرِ امپدانس صوتی دو بافت بسیار به یکدیگر نزدیک باشد ‌(مانند چربی و آب)، بیشتر موج فراصوت از مرز دو بافت عبور می‌کند و مقدار کمی از آن به‌صورت اکو منعکس می‌شود. در مقابل، اگر مقدرِ امپدانس صوتی دو بافت تفاوت زیادی با یکدیگر داشته باشد ‌(مانند ماهیچه و استخوان)، بیشتر موج فراصوت از مرز دو بافت منعکس می‌شود و مقدار کمی از آن از مرز عبور می‌کند.

همان‌طور که در بخش قبل اشاره کردیم باتوجه‌به تفاوت امپدانس صوتی بین دو بافت، بخشی از امواج فراصوت از مرز عبور می‌کنند و بخشی دیگر به‌صورت عمود بر مرز، به‌صورت آینه‌ای، منظم یا به‌صورت غیرمنظم، منعکس می‌شوند. انعکاس عمودی زمانی اتفاق می‌افتد که مرزِ بافت بر موج فراصوت تابشی، عمود و مرز نیز بزرگ و مسطح باشد. این حالت در کپسول کلیوی می‌تواند رخ دهد. با توجه به تفاوت امپدانس صوتی چربی دورِ کلیه و بافت کلیه، مقداری از موج فراصوت تابیده‌شده، منعکس می‌شود و به ترنسدیوسر می‌رسد.

در برخی مواقع تمام امواج فراصوتِ تابیده‌شده به بافت، از آن منعکس می‌شوند. این مورد در حالتی رخ می‌دهد که تفاوت امپدانس صوتیِ بین دو محیط بسیار زیاد باشد. به‌ همین دلیل نمی‌توانیم به‌کمک امواج فراصوت از ریه‌ها عکس بگیریم، زیرا هوای داخل ریه‌ها امپدانس صوتی بسیار کمتری در مقایسه با بافتِ نرم اطراف دارد.

در برخی مواقع، موج فراصوت به‌جای تابش عمودی، با زاویه‌ای مشخص به سطحی مسطح و بزرگ برخورد می‌کند. در این حالت، انعکاس منظم یا آینه‌ای به‌صورت تصویر زیر رخ می‌دهد. وقتی سطحی صاف باشد (مثل یک آینه یا سطح استخوان)، امواج صوتی به‌جای انعکاس به‌صورت پراکنده در جهت‌های مختلف، در جهتی مشخص و منظم منعکس می‌شوند. این حالت مشابهِ بازتاب نور از آینه است، جایی که نور به‌طور مستقیم در زاویه‌ای خاص و نه به‌صورت پراکنده، منعکس می‌شود.

در بیشتر مواقع در تابش منظم، پرتوی فراصوتِ منعکس‌شده به سمت ترنسدیوسر برنمی‌گردد. خوشبختانه بیشتر سطوح بزرگِ داخل بدن کاملاً مسطح و صاف نیستند و امواج فراصوت را به‌صورت آینه‌ای منعکس نمی‌کنند. در نتیجه، در بیشتر مواقع، بازتابِ نامنظم یا غیرآینه‌ای رخ می‌دهد. در این حالت، موجِ بازتا‌ب‌شده در جهت‌های مختلف، منعکس می‌شود. شدتِ موج منعکس‌شده به‌صورت عمودی بسیار قوی‌تر از شدتِ موج بازتابیده به‌صورت نامنظم است.

حدود ۵۹ درصد امواج فراصوتِ تابیده‌شده به استخوان از آن عبور می‌کنند و ۴۱ درصد از آن منعکس می‌شوند، اما نمی‌توانیم به کمک امواج فراصوت، تصاویر بافت‌های پشت استخوان‌ها را مشاهده کنیم. دلیل این موضوع آن است که دامنه‌ی امواج فراصوت پس از وارد شدن به استخوان و پیشروی در آن، کاهش می‌یابد.

در بخش قبل با انعکاس امواج فراصوت از بافت‌های بدن آشنا شدیم. اگر موج فراصوت با زاویه‌ای مشخص به مرزِ دو بافت برخورد کند، قسمتی از آن پس از برهم‌کنش با مرزِ بافت، از آن منعکس و قسمتی دیگر از مرز، عبور و با زاویه‌ای متفاوت (بزرگ‌تر یا کوچک‌تر) از موجِ تابشی، وارد محیطِ دوم می‌شود. در این حالت، به‌جای مقدار موج عبوری یا منعکس‌شده از مرز، به‌کمک تغییر سرعت موجِ فراصوت در هر محیط، تغییر زاویه را به‌دست می‌آوریم.

امواج فراصوت، هنگام برهم‌کنش با بافت‌های داخلی بدن، از آن‌ها منعکس یا پراکنده می‌شوند یا عبور می‌کنند. همچنین، دامنه‌ی امواجِ فراصوت هنگام ورود به استخوان یا بافت‌های دیگر، کاهش می‌یابد. پراکندگی زمانی اتفاق می‌افتد که طول موجِ موج هنگام برخورد با جسم یا بخشی از آن، از ابعاد آن جسم کوچک‌تر باشد.

موج فراصوت هنگام عبور از محیطی با ابعادی بزرگ‌تر از طول موج آن، بدون پراکندگی عبور خواهد کرد. در صورتی که محیط از اجزایی با ابعادی کوچک‌تر از طول موجِ پرتوی فراصوت تشکیل شده باشد، پراکندگی رخ می‌دهد. در نتیجه، دامنه و شدت امواج فراصوت هنگام عبور از چنین محیط‌هایی (مانند استخوان)، کاهش می‌یابد.

هرچه چگالی نواحی با ابعادِ کوچک‌تر از طول موج فراصوت کمتر باشد، پراکندگی نیز بیشتر خواهد بود. پراکندگی یکی از عوامل اصلی در ایجاد «اکوژنیسیته» (echogenicity) بافت یا میزان توانایی بافت در بازتاب امواج صوتی، است. هرچه پراکندگی بیشتر باشد، اکوژنیسیته نیز افزایش می‌یابد. به‌بیان دیگر، ساختارهای درون بافت که باعث پراکندگی امواج می‌شوند، به ایجاد تصویر واضح‌تر در سونوگرافی کمک می‌کنند.

برخلاف تصویربرداری با امواج فراصوت، در تصویربرداری با اشعه‌ی ایکس، علاقه‌ای به پراکندگی نداریم. موج فراصوت هنگام عبور از بافتی مانند کلیه، توسط کوچک‌ترین واحدهای سازنده‌ی آن پراکنده می‌شود و قسمتی از آن به ترنسدیوسر می‌رسد. اگرچه امواج رسیده به ترنسدیوسر نویز دارند و خیلی منظم نیستند، اطلاعاتی را در مورد کلیه یا هر بافت دیگری به ما می‌دهند.

علاوه بر پراکندگی، تولید گرما در بافت‌ها نیز می‌تواند دامنه‌ی امواج فراصوت را کاهش دهد. امواج فراصوت ممکن است هنگام عبور از داخل بافت‌ها، توسط آن‌ها جذب شوند که به تولید گرما منجر می‌شود. تضعیف امواج فراصوت از بافتی به بافت دیگر متفاوت و به ضریب تضعیف هر بافت و فرکانس موج فراصوت بستگی دارد.

فرض کنید موج فراصوت را با فرکانس ۴ مگاهرتز از ترنسدیوسر به یکی از بافت‌های داخلی بدن می‌فرستیم. این موج پس از طی کردن مسافت ۵ سانتی‌متر به مرز بافتِ نشان‌داده‌شده در تصویر زیر می‌رسد. شدت این موج پس از طی مسافتِ پنج سانتی‌متری و رسیدن به مرز بافت، حدود یک‌دهم می‌شود. موج پس از رسیدن به مرز، منعکس و به سمت ترنسدیوسر حرکت می‌کند.

شدت موج پس از بازتاب از مرز و رسیدن به ترنسدیوسر نیز یک‌دهمِ دیگر کاهش می‌یابد. در نتیجه، موجِ رسیده به ترنسدیوسر حدود یک‌صدم موج فراصوتِ اولیه است. البته این موضوع در صورتی برقرار است که موج فراصوت به‌صورت عمود به مرز تابیده و تمام آن منعکس شده باشد.

تا اینجا با برهم‌کنش امواج فراصوت با بافت‌های داخلی بدن آشنا شدیم. در دستگاه سونوگرافی، ترنسدیوسر با تولید امواج فراصوت و تابش آن به بافت‌ها، امواج منعکس‌شده را دریافت می‌کند. امواج بازتابی به ترنسدیوسر به سیگنال دیجیتالی تبدیل و سپس تحلیل می‌شوند. اجزای تشکیل‌دهنده‌ی ترنسدیوسر در تصویر زیر نشان داده شده است.

ماده‌ی پیزوالکتریک در ترنسدیوسر مسئول ایجاد امواج فراصوت و فرستادن این امواج به بافت‌های بدن است. همچنین، این قسمت، امواج فراصوت بازتابی و پراکنده را از بافت‌ها دریافت و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، ماده‌ی پیزوالکتریک، جلوی ترنسدیوسر قرار دارد.

ماده‌ی پیزوالکتریک ویژگی منحصربه‌فردی دارد؛ فشردن این ماده باعث القای جریان الکتریکی و عبور جریان از آن، سبب ارتعاش و حرکت این ماده می‌شود. در دستگاه سونوگرافی، امواج صوتی به ماده‌ی پیزوالکتریکی که بین دو الکترود قرار دارد، برخورد و آن را فشرده می‌کنند. این فشردگی، جریان الکتریکی متناسب با شدت و فرکانس امواج صوتی ایجاد می‌کند که به‌عنوان سیگنال به دستگاه سونوگرافی منتقل خواهد شد.

همزمان، دستگاه سونوگرافی می‌تواند با اعمال جریان الکتریکی به ماده‌ی پیزوالکتریک، باعث ارتعاش آن و تولید امواج صوتی شود. این ویژگی به دستگاه سونوگرافی اجازه می‌دهد سیگنال‌های دریافتی از بدن را به تصویر تبدیل کند و امواج صوتی را برای بررسی بافت‌های بدن ارسال کند. الکترودها نیز نقش مهمی در تقویت اثر پیزوالکتریک و هدایت جریان الکتریکی ایفا می‌کنند.

برای بهبود وضوح تصویر، به‌ویژه در جهت افقی (وضوح جانبی)، از آرایه‌ای از کریستال‌ها استفاده می‌شود. دستگاه سونوگرافی به‌کمک این آرایه‌ها می‌تواند جزئیات بسیار ریز مانند رگ‌های خونی کوچک یا ساختارهای داخلی اندام‌ها را در بافت‌های بدن تشخیص دهد. علاوه‌بر تعداد کریستال‌ها، عوامل دیگری مانند فرکانس امواج صوتی، زاویه‌ی تابش، و تکنیک‌های پردازش تصویر نیز در کیفیت تصویر نهایی تأثیرگذار هستند.

در سونوگرافی از ترنسدیوسرهای مختلف با فرکانس‌های متفاوت استفاده می‌کنیم. فرکانس ترنسدیوسرها را به‌راحتی نمی‌توانیم تغییر دهیم، زیرا دو عامل مقدار فرکانس را تعیین می‌کنند:

• سرعتِ عبور صوت از ماده‌ی پیزوالکتریک
• صخامتِ ماده‌ی پیزوالکتریک

هرچه ضخامت ماده‌ی پیزوالکتریک کمتر باشد، فرکانس موج منتشرشده از آن بیشتر خواهد بود. عمقِ نفوذِ امواج با فرکانس‌های مختلف، متفاوت است. امواج با فرکانس‌های کوچک‌تر عمق نفوذ کمتر و امواج با فرکانس‌های بزرگ‌تر، عمق نفوذ بزرگ‌تری دارند.

سرعت صوت در ماده‌ی پیزوالکتریک بسیار بالاتر از سرعت حرکت آن در بافت‌های بدن است. در نتیجه، این دو محیط (ماده‌ی پیزوالکتریک و مرز بافت)، تفاوت امپدانس صوتی بالایی دارند. تفاوت زیاد امپدانس صوتی بین این دو محیط باعث هدر رفتن بخش زیادی از انرژی امواج صوتی هنگام عبور از کریستال به بدن می‌شود. لایه‌ی تطبیق در ترنسدیوسر از هدر رفتن انرژی امواج صوتی هنگام انتقال از ماده‌ی پیزوالکتریک به بافت‌های داخلی بدن، جلوگیری می‌کند.

همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، لایه‌ی تطبیق در قسمت جلوی ترنسدیوسر قرار دارد و از کریستال‌های پیزوالکتریک و بافت‌های داخلی بدن محافظت می‌کند. همچنین، امپدانس صوتی این لایه، عددی بین امپدانس صوتی ماده‌ی پیزوالکتریک و بافت‌‌های داخلی بدن است. لایه‌ی تطبیق با تنظیم و تطبیق امپدانس صوتی، باعث افزایش انتقالِ بهتر امواج و بهبود کیفیت تصویر سونوگرافی می‌شود.

پوست بدن ما سطحی کاملاً صاف نیست، بنابراین لایه‌ی تطبیق خیلی خوب نمی‌تواند روی آن قرار بگیرد. از این‌ رو، مقداری هوا بین لایه‌ی تطبیق و بافت قرار می‌گیرد. امپدانس صوتی هوا بسیار کوچک است، در نتیجه‌، تفاوت امپدانس صوتی بسیار بزرگ می‌شود و امواج صوتی به‌راحتی نمی‌توانند از ترنسدیوسر به بافت منتقل شوند. برای حل این مشکل از «ژل کوپلینگ» (Coupling Gel) استفاده می‌شود.

ژل کوپلینگ ماده‌ای بر پایه‌ی آب و امپدانس صوتی نزدیک به بافت محسوب می‌شود که بین ترنسدیوسر و پوست بیمار قرار می‌گیرد و وظیفه‌ی اصلی آن حذف هوا بین پروب و پوست است. ژل با از بین بردن هوا، باعث انتقال بهتر امواج صوتی از دستگاه به بدن و برعکس می‌شود. این کار به ایجاد تصاویر واضح‌تر و دقیق‌تر از داخل بدن کمک می‌کند.

تا اینجا با ماده‌ی پیزوالکتریک و لایه‌ی تطبیق که جلوی ترنسدیوسر قرار گرفته‌اند، آشنا شدیم. با کمی فاصله از جلوی ترنسدیوسر و قبل از ماده‌ی پیزوالکتریک، به قطعه‌ای به نام میرایی می‌رسیم. هدف اصلی میرایی، بهبود کیفیت تصویر و کاهش نویز است. همان‌طور که گفتیم امواج فراصوت از ارتعاش ماده‌ی پیزوالکتریک با فرکانسی مشخص، تولید می‌شوند. ارتعاش ماده‌ی پیزوالکتریک تا مدت زمان مشخصی ادامه می‌یابد، اما قطعه‌ی میرایی می‌تواند مدت زمانِ نوسان آن را کوتاه می‌کند.

هنگامی‌ که ماده‌ی پیزوالکتریک منقبض و منبسط می‌شود، قسمتی از امواج ایجادشده به سمت بیمار حرکت می‌کنند و قسمتی دیگر به‌سمت ترنسدیوسر برمی‌گردند. قطعه‌ی میرایی از بازگشت امواج ایجادشده به سمت ترنسدیوسر جلوگیری و آن‌ها را به سمت بافت مورد نظر هدایت می‌کند.

تا اینجا با برهم‌کنش امواج فراصوت با بافت‌های داخلی بدن و ساختار داخلی ترنسدیوسر آشنا شدیم. در ادامه، کمی در مورد جزئیات تصویربرداری با امواج فراصوت در دستگاه سونوگرافی صحبت می‌کنیم.

تصویر سونوگرافی یک برش مقطعی از داخل بدن بیمار است که خط‌به‌خط در جلوی ترنسدیوسر تشکیل می‌شود. ترنسدیوسر امواج فراصوت را به بافت‌های داخلی بدن ارسال می‌کند. امواج ارسال شده پس از برخورد با بافت‌های مختلف، از آن‌ها منعکس می‌شوند و به ترنسدیوسر برخورد می‌کنند. هر خطِ تصویر براساس این بازتاب‌ها ایجاد و به‌این‌ترتیب، با حرکت ترنسدیوسر روی بدن، خطوط متوالی تشکیل و تصویر نهایی از ساختار داخلی بدن ساخته می‌شود.

در ادامه، چگونگی تشکیل تصویرِ کلیه (کلیه‌ی راست) را در دستگاه سونوگرافی با یکدیگر بررسی می‌کنیم. ابتدا جریان الکتریکی به ترنسدیوسر و ماده‌ی پیزوالکتریک اعمال و موج فراصوت ایجاد می‌شود. همان‌طور که گفتیم موج فراصوت با سرعتی در حدود ۱۵۴۰ متربرثانیه داخل بافت‌های بدن حرکت می‌کند. بخشی از امواج فراصوت با رسیدن به ساختار داخلی کلیه و مرز بافت، منعکس می‌شوند و به‌سمت ترنسدیوسر حرکت می‌کنند. تصویرِ سیاه و سفیدِ کلیه پس از پردازش امواج بازتابی، تولید می‌شود. از آنجا که صوت با سرعتِ مشخصی حرکت می‌کند، دستگاه سونوگرافی می‌تواند سیگنال‌های دریافتی را تفسیر کند و ساختارها را دقیقاً همان جایی که قرار گرفته‌اند روی مانیتور نشان دهد.

در سونوگرافی، عمق ساختارها در بافت با موقعیت آن‌ها در تصویر ارتباطی مستقیم دارد. امواج فراصوت بازتابی از ساختارهای نزدیک به سطحِ بافت، زودتر به ترنسدیوسر می‌رسند، بنابراین در قسمت‌های بالایی تصویر نمایش داده می‌شوند. در مقابل، ساختارهای عمیق‌تر، زمان بیشتری برای ارسال و دریافت امواج صوتی نیاز دارند، در نتیجه در قسمت‌های پایین‌تر تصویر ظاهر خواهند شد. این اصل اساسی در سونوگرافی به ما اجازه می‌دهد تا یک برش مقطعی از بدن را مشاهده کنیم و عمق هر ساختار را نسبت به سطح پوست تخمین بزنیم.

همان‌طور که در قسمت‌های قبل اشاره کردیم، بافت‌ها با جذب امواج فراصوت گرم می‌شوند و دامنه‌ی این امواج با افزایش عمقِ نفوذ، کاهش می‌یابد. بنابراین، مشاهده‌ی ساختارهای عمیق‌تر در سونوگرافی دشوارتر است، زیرا امواج فراصوت با رسیدن به آن‌ها بسیار ضعیف شده‌اند. برای جبران این تضعیف، بیشتر سیستم‌های سونوگرافی از قابلیتی به نام «افزایش بهره» (Time Gain Compensation یا TGC) استفاده می‌کنند. TGC سیگنال‌های بازگشتی از لایه‌های عمیق‌تر را تقویت می‌کند تا بتوانیم تصاویر بهتر و واضح‌تری از ساختارهای عمیق‌تر داشته باشیم.

برخی ساختارها مانند استخوان‌ها، بازتاب‌کننده‌های قوی‌ِ امواج فراصوت هستند و بیشتر امواج فراصوت تابیده‌شده به آن‌ها، منعکس می‌شوند. در این حالت، سایه‌ی آکوستیکی به‌صورت نشان‌داده‌شده در تصویر زیر ایجاد می‌شود.

همان‌طور که در بخش‌های قبل اشاره کردیم، امواج فراصوت پس از برخورد به سطح ناهمگن، پراکنده می‌شوند. پراکندگی امواج فراصوت در بافت‌های بدن به ایجادِ ظاهر دانه‌دانه به‌صورت لکه (Speckle) در تصاویر سونوگرافی منجر می‌شود. این لکه‌ها ممکن است وضوح تصویر را کاهش دهند و تشخیص دقیق ساختارها را سخت‌تر کنند.

فرکانس تأثیر زیادی بر وضوح تصاویر گرفته‌شده با امواج فراصوت می‌گذارد. امواج فراصوت با فرکانس کوچک‌تر می‌توانند مسافت بیشتری را داخل بدن طی و بهتر از امواج فراصوت با فرکانس بزرگ‌تر به ساختارهای عمقی بدن نفوذ کنند. در مقابل، امواج فراصوت با فرکانس بزرگ‌تر برای تصویربرداری از ساختارهای سطحی، مناسب هستند. در نتیجه، برای گرفتن بهترین تصویر از اندام‌های داخلی بدن باید ترنسدیوسری با فرکانس مناسب انتخاب کنیم.

امواج فراصوت به‌کاررفته در سونوگرافی، از یک ابزار جنگی برای ردیابی زیردریایی‌ها به یکی از ستون‌های اصلی تشخیص پزشکی تبدیل شده‌اند. فناوری سونوگرافی به ما اجازه می‌دهد تا بدون درد و خطر، به اعماق بدن خود نفوذ کنیم. از تشخیص بیماری‌های قلبی و عروقی تا بررسی رشد جنین در رحم مادر، سونوگرافی نقش حیاتی در حفظ سلامت انسان ایفا می‌کند.

آینده‌ی سونوگرافی با پیشرفت‌های چشم‌گیر در فناوری‌های تصویربرداری و هوش مصنوعی بسیار روشن است. سونوگرافی سه‌بعدی و چهاربعدی می‌تواند تصاویر دقیق‌تری از بافت‌ها و اندام‌های داخلی بدن فراهم کند. هوش مصنوعی نیز به‌عنوان ابزاری کلیدی در تحلیل و تفسیر سریع‌تر و دقیق‌تر تصاویر به کار خواهد رفت و می‌تواند خطای انسانی را کاهش دهد.

همچنین سونوگرافی قابل‌ حمل و قابل‌ استفاده در منزل، دسترسی به این روش را برای پزشکان و بیماران حتی در مناطق دورافتاده آسان‌تر می‌کند. استفاده‌ از فناوری‌های واقعیت افزوده و واقعیت مجازی در سونوگرافی نیز تحلیل تصاویر را به‌صورت تعاملی و با جزئیات بیشتر ممکن خواهد کرد.

در نهایت، می‌توان پیش‌بینی کرد که سونوگرافی در آینده با دقت بالاتر، دسترسی گسترده‌تر و کاربردهای متنوع‌تر انقلاب دیگری در تشخیص پزشکی و درمان ایجاد کند.