ساختمان ترانسدیوسر ( یا مبدل ) آلتراسوندها

یک مقاله کامل پیرامون :ساختمان ترانسدیوسر ( یا مبدل ) آلتراسوندها
منبع : prin.ir
در کارهای تشخیصی همیشه پرتوهای باریکی از امواج فراصوتی نیاز می باشند. چنین پرتوهایی به وسیله یک صفحه پیزوالکتریک ،که با دو الکترود صفحه ای موازی برانگیخته می شوند ،تولیدمی گردند.

یک بلور را می توان با به کارگیری یک ولتاژ با بسامد بسیار بالا انگیخته نموده و مجبور به نوسان کرد . در بلور، بسامدی که بیشترین شدت را تولید می کند بسامد تشدید گفته می شود. تشدید یک ویژگی موج است که در آن شدت موج در حقیقت به علت هم آمیزی موجهای همانند افزایش می یابد. می توان ثابت کرد که تشدید هنگامی رخ میدهد که ضخامت بلور برابر نیمی از طول موج و یا مضرب فردی از طول باشد.

اگر دو رویه بلور ترانسدیوسر را بگونه دو رویه نوسان کننده در نظر بگیریم ،چنانچه فاصله این دو رویه باندازه موج ایجاد شده باشد، موج ایجاد شده به وسیله رویه پشتی، موج ایجاد شده بوسیله رویه جلوئی را تقویت می کند . این تقویت که بیشترین شدت موج را در بلور بوجود می آورد همان رزونانس طبیعی یا تشدید است.
بلور در ترانسدیوسرها می تواند هم به گونه فرستنده امواج فراصوت و هم گیرنده اموا ج کار کند. در حالت گیرنده تپ های ایجاد شده بوسیله بازتابش را دریافت می نماید. این بازتابش است که در ساختن نگاره سونوگرافی بکار می رود. حالت دلخواه هنگامی است که وقتی یک تپ کوتاه مدت موج فراصوت از بلور گسیل شد، بلور در زمانی بسیار بزرگتر پس از آن اماده دریافت بازتابش باشد، در اینجاست که بهترین نگاره برای کارهای بالینی ساخته می شود .
اگر بخواهیم الکتریسیته را به بلور وارد کنیم و یا الکتریسیته تولید شده را از آن بیرون ببریم ، باید بوسیله یک رسانا این کار انجام شود. دو طرف بلور دارای پوشش فلزی است که بسیار نازک بوده و برای بردن ولتاژ از آن انجام می شود . الکترودها بوسیله یک پیوند دهنده کابلی به ترانسدیوسر وصل است.
بخش نوسانی ترانسدیوسر بلور است . بلور انرژی فراصوتی را برای انتقال به محیط تولید می کند. بزرگی این بلورها می تواند به رویه دلخواه به هر اندازه ای اختیار شود، ولی هر چه نازکتر باشد با بسامد بیشتری نوسان می کند.
بخش پشتی بلور با یک ماده میراکننده یا خفه کننده و برای جلوگیری از تابش انرژی بلور در رویه پشتی پر شده است . مواد میراکننده باعث بهتر شدن نگاره فراصوتی می شوند . این مواد دارای امپدانس اکوستیک بسیار زیادی هستند . ترانسدیوسرها دارای یک بخش جلویی یا رویه جلویی هستند که با پوست بیمار تماس می یابد.این رویه لایه جفت کننده یک چهارم موج نام دارد. امپدانس ویژه این لایه میان امپدانس کریستال و امپدانس بافت نرم جا دارد تا انرژی موج به آسانی به بدن بیمارگذر کند و بازتاب اندکی داشته باشد.
همانطور که گفته شد بسامد ترانسدیوسر به ویژگی های مکانیکی بلور وابسته است. بلوری که به وسیله پالس الکتریکی انگیخته می شود تغییر بعد داده و امواج فراصوتی را تولید می کند.
بهترین عامل تعیین کننده بسامد ترانسدیوسر ، ضخامت بلور می باشد . بگونه ای تئوریک هماهنگی که یک بلور به وسیله یک تپ الکتریکی انگیخته می شود ،تنها با یک بسامد آغاز به نوسان می کند ولی کامل نبودن بلور تاثیر مواد میراکننده و ... باعث می شوند که بلور بیش از یک بسامد تابش کند. برای نمونه هنگامی که بلور دارای بسامد مگا هرتز است در حقیقت بسامدهای کمتر و بیشتر از مگاهرتزرا ( که بسامد اصلی یا طبیعی آن است ) نیز تولید می کند.
به گستره بسامدهای تولید شده از ترانسدیوسر پهنای باند گفته می شود. ترانسدیوسری که بسامدهای گوناگون در دو طرف بسامد اصلی تولید می کند دارای پهنای باند بزرگی است .
پهنای باند بسامدهای ترانسدیوسر در کیفیت نگاره ای که به وجود می آورد اثر دارد. هر چه این پهنای باند کوچکتر باشد کیفیت نگاره بهتر است ولی ترانسدیوسرها بهر حال دارای پهنای باند چشمگیری هستند.

میدان فراصوتی و گونه های ترانسدیوسر
ترانسدیوسر فراصوتی، بگونه یک چشمه فراصوت کارکرده و امواج فراصوتی را گسیل می کند .این امواج در آغاز بگونه ای موازی راهی را می پیماید و سپس واگرا شده و از یکدیگر دور میشوند. بنابراین دو ناحیه بوجود می آید: یکی میدان نزدیک و دیگری میدان دور . در میدان نزدیک امواج فراصوتی پرتوهایی یکنواخت و موازی هستند و پهنه برش پرتو یا نیم رخ بانداره رویه ترانسدیوسر است .
ناحیه گذری مرز میان میدان نزدیک و میدان دور است. باید گوشزد کرد که در میدان نزدیک بیشترین تعداد انترفرانس - بنابراین نا یکنواختی شدت فراصوت - دیده می شود در حالیکه در ناحیه میدان دور سطوح جبهه های موج موازی هستند . در این ناحیه انترفرانس کمتر و یکنواختی شدت انرژی فراصوتی بیشتر است .
بعلت اینکه میدان نزدیک باریکترین مرزهای موازی را برای پرتو فراصوتی دارد در این ناحیه بهترین جداسازی کناری یا عمود بر محور بدست می آید. پس قطر پرتوها روی جداسازی(رزولوشن) کناری اثر می گذارد: یعنی هر چه قطر ترانسدیوسر کوچکتر باشد توان جداسازی کناری بیشتر است، در ضمن ژرفایی که از آن نگاره می گیریم کوچکتر می شود. این برابری اگر کاهش یابد بسامد افزایش یافته و شدت پرتوی که باید به یک ژرفای خاصی برسد کاهش می یابد. برای رسیدن به هدف افزایش ،می توانیم بدون تغییر بسامد و یا قطر ترانسدیوسر قطر پرتوها را کاهش دهیم.در این کار از کانونی کردن کمک گرفته می شود.

ترانسدیوسرهای کانونی
نه تنها کاهش اندازه بلور در یک بسامد معین باعث ایجاد جبهه های موج تخت در دامنه گسترده ای از ژرفای ماده نمی شود بلکه برعکس هر چه رویه بلور کوچکتر باشد واگرایی پرتوها بیشتر می شود.
از سوی دیگر بسامد ترانسدیوسر روی واگرایی پرتوها اثر می گذارد. هر چه بسامد افزایش یابد واگرایی پرتو فراصوتی کمتر می شود و با این افزایش بسامد ،ژرفای نفوذ پرتوهای فراصوتی نیز کوچکتر می شود. از این رو ترانسدیوسرهایی را که با توان جداکنندگی بزرگ و سطح بلور کوچک و بسامد بالا برای معاینه ساختمانهای سطحی بدن ساخته اند نمی توان برای ساختمانهای عمقی به کار برد.
برای معاینه ساختمانهای عمقی بدن همگرا کردن پرتوهای فراصوت بکار گرفته می شود. کار همگرا کردن پرتوهای فراصوتی در ژرفای بدن با بکارگیری ترانسدیوسرهای کانونی انجام می گردد. ترانسدیوسرهای کانونی با به کارگیری عدسیهای صوتی یا به وسیله شکل دادن بلور ساخته می شوند.
اثر کانونی کردن پرتوهای فراصوتی ( چه به صورت تراش بلور یا به کار بردن عدسیهای صوتی ) جابه جا کردن ناحیه گذری میدان دور و میدان نزدیک و به سوی رویه بلور است. این کار باعث باریک شدن پهنای دسته پرتو می گردد. نقطه کانونی را در این ترانسدیوسرها می توان با شعاع انحنا ء عدسی مشخص کرد. نقطه کانونی در باریکترین بخش دسته پرتو جا دارد و به فاصله آن تا سطح کریستال فاصله کانونی گفته می شود. همچنین باریکترین ناحیه دو طرف نقطه کانونی را ناحیه کانونی(focal zone)می گویند.
چون بافتهای گوناگون بدن آدمی در ژرفای گوناگونی از پوست جا گرفته اند،برای کاربردهای تشخیص پزشکی و همچنین برای رساندن انرژی دلخواه به ژرفای دلخواه ،بهتر است عدسیهای کانونی مختلف را که دسته پرتو فراصوت را اندک اندک باریک می کنند بکار گرفت.
سازندگان این دستگاه بیشتر شماره هایی مانند ( 8 – 4 ) ویا ( 11 – 7 ) را برای نمایش بزرگی ناحیه کانونی بکار می برند که کوچکترین شماره ،فاصله آغاز کانونی شدن است. روشن است که با تغییر قطر دسته پرتو با وسایل مکانیکی ( عدسی ) یا الکتریکی شدت فراصوت درسطح های گوناگون برش دسته پرتو تغییر می کند. این تغییر باعث ایجاد بیشترین شدت در ناحیه کانونی شده و خود این کار باعث می شود که بازتابهای بدست آمده از برخورد ناحیه کانونی به مرز مشترک بافتها، بزرگترین دامنه را نسبت به بازتابهای دیگر داشته باشد.

کانونی کردن الکترونیکی
در این روش با بکارگیری زمان تاخیر، می توان امواج را بگونه ای همزمان از شماری از کریستالها گسیل داشت. در این کار، امواج گرد هم آمده، سپس بازتابهای دریافتی بوسیله دستگاهی بنام تقویت کننده با هم یکی شده و بازتابهای دریافتی را بوجود می‌ آورند. برتری این دستگاه این است که می توان جایگاه نقطه ای که امواج روی آن کانونی می شود را تغییر داد و امواج را روی نقطه ای دیگر کانونی کرد.

چگونگی ساخت نگاره فراصوتی
امواج فراصوتی با گذاشتن ترانسدیوسر در تماس با بدن و با به کارگیری موادی که هوا را میان ترانسدیوسر و بدن از میان بر می دارد ( مانند آب ،روغن و یا ژل ) به بدن فرستاده می شوند. همین تراسدیوسر که تپ را تولید میکند ( فرستنده ) بگونه گیرنده یا آشکارساز نیز کار می کند. در اثر برخورد بازتابها به ترانسدیوسر و به علت نوسان آن ولتاژی تولید می شود که پس از تقویت این ولتاژ برای ساخت نگاره بکار می رود. تشخیص با فراصوت بر پایه بازتابی که امواج در بدن و بر روی مرز میان دو بافت متفاوت پیدا می کنند استوار است. این بازتاب هنگامی بوجود می آید که اختلاف در امپدانس صوتی دو محیط وجود داشته باشد. اگر چه امواج پژواک با دامنه بسیار کوچک ( نزدیک به 6/0 درصد انرژی تابیده به مرز میان کلیه و چربی بازتاب می یابد ) می توانند بوسیله گیرنده های حساس نمایان شوند ولی، هنگامیکه موجی نتواند بازتاب پیدا کنداز مرزهای سر راه گذر نموده و ممکن است در بخشهای ژرفتر به وسیله مرز میانی دیگری که تفاوت امپدانس را دارا باشد بازتاب یابد. گذر و نفوذ امواج فراصوت به علت کاهش بافتی، در بافتهای نرم محدود می شود.
همه انرژی امواج فراصوت در برخورد با مرز میان گاز یا هوا بکلی بازتاب می یابد و این خود سد بزرگی برای گذراندن فراصوت از راه گاز یا هر عضوی است که دارای گاز باشد.
وجود لایه هوا میان ترانسدیوسر و سطح پوست را که می تواند سد بزرگی برای گذر انرژی انرژی فراصوت باشد با واسطه هایی مانند روغن زیتون ، پارافین ، آب ویا گلیسیرین از میان می برند. از سوی دیگر اندازه جذب و سرعت فراصوت در استخوان بسیار بیشتر ازبافت نرم است. در نتیجه سونوگرافی از راه استخوان با مشکل روبروست و نتایج رضایت بخش به دست نمی آید. روش به کارگیری بازتابهای بدست آمده از تابش پرتوهای فراصوت متفاوت است.