الأمواج فوق الصوتیة

نسمع کثیرا عن استخدام الامواج فوق الصوتیة فی تصویر الجنین فی رحم الام وهو فی مراحل تکوینه وفی مرات أخرى نسمع عن استخدام الامواج فوق الصوتیة فی تفتیت الحصى دون إجراء العملیات الجراحیة کما تستخدم الامواج فوق الصوتیة فی قیاس سرعة تدفق الدم فی الاوردة للاطمئنان على سلامة القلب. وتعد استخدامات الامواج فوق الصوتیة فی مجال الطب من الاساسیات التقنیة للتشخیص دون اجراء العملیات الجراحیة.

وفی هذه المقالة العلمیة سنحاول القاء الضوء على الأمواج الفوق صوتیة وکیف تعمل الأجهزة الطبیة المستخدمة فی التشخیص المعتمدة على الامواج فوق الصوتیة.
نبذة تاریخیة لتطور اجهزة الامواج فوق الصوتیة الالتراساوند:
بدأت اول الابحاث فی الموجات الصوتیة منذ عام 1822 عندما سعى عالم الفیزیاء (دانیل کولادین) السویسری الأصل لحساب سرعة الصوت عن طریق جرسه المائی فی میاه بحیرة (جنیفا). والتی ادت لوضع ( نظریة الصوت ) فی عام 1877 بجهود العالم ( لورد ریلیه ) والتی شرحت الأساسیات الفیزیائیة لموجات الصوت وانتقاله وارتداده. وتوالت الأبحاث تباعاً حتى کان تصمیم أول نظام رادار صوتی والمعروف باسم (Sonar) فی الولایات المتحدة عام 1914 لأغراض الملاحة البحریة ولتحدید أماکن المارینز الألمانی فی الحرب العالمیة الأولى. ولم توظف الموجات فوق الصوتیة لخدمة الأغراض الطبیة حتى بدایة الأربعینات على ید دکتور الأعصاب النمساوی (کارل ثیودو) والذی یعتبر أول طبیب استخدم الموجات فوق الصوتیة فی التشخیص الطبی وقد واجه فی ذلک صعوبات بسبب امتصاص عظام الجمجمة لمعظم طاقة الموجات فوق الصوتیة.
وبعد حصیلة جهود مکثفة للفیزیائیین والمهندسین المیکانیکیین والکهربائیین والبیولوجیین بالتعاون مع الأطباء ومبرمجی الکمبیوتر والباحثین ودعم الحکومات ابتدأ التشخیص بالموجات فوق الصوتیة لیأخذ محله فی عیادات الأعصاب والقلب والعیون ولتتطور الموجات منA-Mode محدودة الاستخدام الى B-Mode والتی سعى العالم (دوغلاس هوری) کفنی أشعة لاستغلالها فی التشخیص لقدرتها على اختراق الأنسجة بهدف الدراسة التشریحیة لأعضاء الجسم فی جامعة (کولورادو) فی دنغر بالتعاون مع زمیله أخصائی الکلى (جوزیف هوملس) والذی بدوره تبنى الأبحاث الطبیة على هذا الصعید وقام بتوجیهها وبتعاون العلماء والمهندسین (بیلز و بوساکونی) کان أول جهاز ألتراساوند ثنائی الأبعاد یعمل بنظام B-Mode عام 1951. وتوالت الأجهزة التی تعمل فی هذا النظام الا أنها جمیعا کانت کبیرة الحجم وعلى المریض أن ینغمس کلیا أو جزئیا فی الماء فی وضعیة السکون لفترة زمنیة طویلة الأمر الذی جعله غیر عملی ویستحیل وجوده فی عیادات الاختصاص.
وفی أواخر عام 1955 بدأ العالم بتطویر هذه الأجهزة لتصبح أکثر حساسیة وأقل حجما وأکثر سهولة فی طریقة الفحص حتى توصلوا للذراع المعدنی المتحرک والذی یوضع على المکان المخصص للفحص.
ومع الثمانینات حدثت ثورة حقیقیة فی عالم الموجات فوق الصوتیة وهی ما یسمى ( Real time scanner ) أی التصویر الحی ( ثنائی الأبعادB-Mode ) والذی عن طریقه تم التعرف على حیاة الجنین الفعلیة, وحرکاته, وتصرفاته, ونبضات القلب, والتنفس فی رحم الأم. وکان أول جهاز فعال فی هذا المجال عام 1985 فی ألمانیا , وکانت الثمانینات هی میدان التنافس للشرکات المصنعة لأجهزة الالتراساوند لتقدیم أدق الصور وأوضحها. وهکذا اتضحت معالم علم جدید فی تخصص النسائیة والتولید ( تشخیص وسلامة الجنین) .
وبعد هذه المراحل العریقة فی تاریخ الموجات فوق الصوتیة وبعد ثورات العلم المتأججة على کل صعید ومتطلبات العصر المتجددة غدت أجهزة الالتراساوند الثنائیة الأبعاد غیر مرضیة- بالرغم من کل النجاح الذی حققته- وتوجه العلماء نحو البعد الثالث للحصول على صور حیة مجسمة لما یحدث فی جسم الانسان. وفی الیابان فی جامعة طوکیو کان أول تقریر حول نظام الأبعاد الثلاثیة ( الطول, العرض, العمق أو الارتفاع ) عام 1984 وأول محاولة ناجحة فی الحصول على صورة جنین ثلاثیة الأبعاد من صورة ثنائیة الأبعاد عن طریق الکمبیوتر کانت عام 1986.
وبعد تطویر أجهزة التراساوند مستقلة ثلاثیة الأبعاد کانت المشکلة فی الفترة الزمنیة التی یستغرقها التقاط کل مقطع حیث تتجاوز العشر دقائق وهو ما یستحیل معه العمل سواء للطبیب المعالج أو المریض وبالتالی یستحیل معه التسویق. ومع الجهود المکثفة والتطویر المستمر کان أول جهاز التراساوند ثلاثی الأبعاد یأخذ محلا تجاریا فی الأسواق فی عام 1989 فی النمسا واستمر العالم وخصوصا فی الیابان, والنمسا, وبریطانیا, وکندا وحتى الصین فی دفع عجلة التطور هذه حتى بدأت الأبحاث حول رباعی الأبعاد فی لندن عام 1996 عندما بزغت فکرة التصویر ثلاثی الأبعاد الحی ولیکون للبعد الرابع وهو البعد الزمنی, دوره فی إعطاء صورة حقیقیة حیّة بأسلوب عملی, وما کان ذلک لیکون لولا التطورات الهائلة فی علم الکمبیوتر والسرعة الهائلة فی إجراء العملیات الحاسوبیة, ومن هنا کانت قصة البدایة.

ماهی الامواج فوق الصوتیة؟

الالتراساوند هی تکنولوجیا تستخدم الامواج فوق الصوتیة فی التصویر الطبی وتستخدم امواج صوتیة ذات ترددات اکبر 20 کیلو هرتز ای اکبر من الترددات التی تسمعها اذن الانسان وتعتمد فکرة عمل تلک الاجهزة الطبیة على الامواج الفوق صوتیة التی تسقط على الجسم وتنعکس عنه مثل ما یقوم الخفاش الذی یطیر فی اللیل مستعینا بالامواج الفوق صوتیة التی یحدثها لتسقط على الاجسام امامه وتنعکس عنها ویسمعها فیحدد مساره دون الحاجة الى حاسة الابصار للیستدل على الطریق ولذلک یستطیع الطیران فی اللیل. کما تستخدم الحیتان فی البحر الامواج فوق الصوتیة وتستخدمها الغواصات البحریة کجهاز رادار یعمل فی اعماق المحیطات لکشف العواصات المعادیة. وتعتمد فکرة استخدام الامواج فوق الصوتیة على الاحداث التالیة:
1. یرسل جهاز الامواج فوق الصوتیة امواج صوتیة بترددات صوتیة عالیة تتراوح بین 1 الى 5 میجاهیرتز على صورة نبضات توجه الى جسم الانسان من خلال مجس خاص.
2. تخترق الامواج فوق الصوتیة جسم الانسان لتصطدم بالفواصل والحدود الموجودة بین مکونات الجسم المختلفة مثل السوائل الموجودة بین طبقات الجلد الحد بین طبقة الجلد والعظم.
3. جزء من الأمواج فوق الصوتیة تنعکس عن الحدود الفاصلة بین مکونات جسم الانسان وتعود الى المجس بینما تستمر باقی الامواج فوق الصوتیة لتخترق طبقات اعمق فی جسم الانسان لتصل إلى حدود فاصلة اخرى وتنعکس عنها وترتد إلى المجس.
4. یلتقط المجس الامواج فوق الصوتیة المنعکسة تباعاً عن طبقات جسم الانسان التی اخترقها ویغذی فیها جهاز الامواج فوق الصوتیة.
5. یقوم جهاز الامواج فوق الصوتیة بحساب المسافة بین المجس وطبقة الجلد أو العضو الذی انعکست عنه الامواج الفوق صوتیة مستخدما سرعة تلک الامواج فی جسم الانسان والتی تبلغ 1540m/s ومستخدماً الزمن اللازم لعودة الموجات فوق الصوتیة للمجس والتی تکون فی فی حدود المیکوثانیة أی 10-6sec.
6. یظهر جهاز الامواج فوق الصوتیة العلاقة بین المسافة وشدة الاشارة المنعکسة من جسم الانسان لتکون توزیع ثنائی الابعاد للمسافة والشدة والتی تعبر عن الصورة التی نشاهدها على جهاز الامواج فوق الصوتیة والموضحة فی الشکل التالی:

صورة امواج فوق صوتیة لجنین فی الاسبوع الثانی عشر ویظهر على الیمین الرأس ومن العنق وباقی الجسم الى الیسار.

فی ای جلسة للتصویر باستخدام جهاز الامواج فوق الصوتیة فإن ملایین النبضات الصوتیة التی ترسل للجسم وتستقبل مرة أخرى لتحلل وتحسب المسافة القادمة منها تلک الامواج لتعطی الصورة التی نراها، کما ان تحریک المجس من مکان لأخر یمکن ان یعطی صور من منظور مختلف.

مکونات جهاز الامواج فوق الصوتیة

تتکون اجهزة الأمواج فوق الصوتیة من الأجزاء الرئیسیة التالیة:
1. المجس.
2. وحدة التحکم المرکزیة.
3. وحدة التحکم بالنبضات.
4. شاشة العرض.
5. لوحة المفاتیح والماوس.
6. وحدة تخزین.
7. طابعة.
المجس Transducer Probe
یعتبر المجس المستخدم فی اجهزة الأمواج فوق الصوتیة هو الجزء الرئیسی للجهاز. ووظیفة المجس تکمن فی اصدار الامواج الصوتیة ورصد الصدى المرتد عن انعکاسها. ویمکن تشبیهه بالفم الذی یتحدث والاذن التی تسمع لجهاز الامواج فوق الصوتیة. وتعتمد فکرة عمل المجس على ظاهرة فیزیائیة مهمة هی البیزوالکترک piezoelectric effect والتی تعنی ظاهرة الضغط لتولید الکهرباء والتی اکتشفها العالم بیر وکیوری Pierre and Jacques Curie فی عام 1880. وهی عبارة عن بلورة کوارتز عند تطبیق تیار کهربائی على بلورة الکوارتز قإن البلورة یتغیر شکلها بسرعة فی صورة اهتزازات سریعة جداً تص\ر امواج صوتیة. والعکس یحدث عندما تصطدم امواج صوتیة تؤدی البلورة للاهتزاز فإن تیار کهربی یتولد عنها. وبهذا یمکن استخدام نفس بلورة الکوارتز لاصدار الامواج فوق الصوتیة واستقبالها، مع تزوید المجس بمادة تمتص الصوت حتى لا یحدث تشویش بین الصوت الصادر والصوت المنعکس. کذلک یزود المجس بعدسة صوتیة acoustic lens لترکیز المواج الصوتیة الصادرة من المجس.

جهاز امواج فوق صوتیة ومعه عدة انواع من المجسات المستخدمة

یتم تصنیع هذه المجسات لتأخذ اشکالاً واحجاماً مختلفة لتستخدم حسب المنطقة المراد تصویرها بجهاز الامواج فوق الصوتیة وکل مجس یصدر تردد مختلف من الامواج فوق الصوتیة لتحدد العمق الذی یجب ان تخترقه هذه الامواج داخل جسم الانسان للحصول على الصورة المطلوبة وبدقة عالیة. ویمکن ان تحتوی المجسات على أکثر من بلورة کوارتز وکل بلورة کوارتز یجب ان یکون لها دائرتها الکهربیة المنفصلة، ویستخدم هذا النوع من المجسات المزودة باکثر من بلورة للتحکم فی الفارق الزمنی للامواج الصوتیة الصادرة عن کل بلورة والذی یساعد على تحریک الامواج الفوق صوتیة داخل الجسم.

شکل یوضح اجزاء جاهز التصویر باستخدام الامواج فوق الصوتیة

وتمثل هذه الوحدة عقل الجهاز وهو عبارة عن جهاز کمبیوتر متصل بالمجس ویزوده بالطاقة الکهربیة. وتقوم وحدة التحکم المرکزیة بارسال التیار الکهربائی للمجس لیصدر الامواج الفوق صوتیة وکذلک یستقبل النبضات الکهربیة الناتجة من المجس عند استقبالها للامواج فوق الصوتیة المرتدة عن اجزاء الجسم المراد تصویره. وتقوم وحدة المعالجة المرکزیة بکافة الحسابات التی تمکن من رسم العلاقة بین المسافة وشدة الاشعة المرتدة لتکوین الصورة على الشاشة.

وحدة التحکم بالنبضات Transducer Pulse Controls

وهی توفر الامکانیة للطبیب الذی یشغل الجهاز أو الفنی المختص بادخال قیمة التردد وزمن النبضات الصوتیة الصادرة من المجس والتی یجب تحدیدها مسبقا حسب العضو المراد تصویره. وکذلک تقوم هذه الوحدة بالتحکم بآلیة المسح المستخدمة بواسطة الجهاز لاظهار الصورة.

الشاشة Display

وهی عبارة عن شاشة عرض عادیة کالمستخدمة فی الکمبیوتر والتی تظهر نتیجة الحسابات التی قامت بها وحدة المعالجة المرکزیة ویمکن ان تکون شاشة ابیض واسود او شاشة ملونة حسب نوع ومواصفات جهاز الامواج فوق الصوتیة.

لوحة المفاتیح والماوس Keyboard/Cursor

وهی الادوات التی یستخدمها الطبیب او الفنی المختص لتشغیل برنامج الاجهاز واجراء عملیات حفظ الصورة على ملف وعمل بعض القیاسات لحساب الابعاد مستعینا بالصورة الظاهرة على الشاشة.

وحدة التخزین Disk Storage

وحدة التخزین تستخدم لحفظ الصور التی ظهرت على الاشاشة ووسائط التخزین هی نفسها المستخدمة فی الکمبیوتر وتشمل الاقراص الصلبة hard disks أو الاقراص المرنة floppy disks أو الاقراص المدمجة CD او DVD. وتستخدم لعمل ارشیف طبی یحفظ لتتبع حالة المریض فی مرات اخرى.

الطابعة Printers

وفی الاغلب طابعات کمبیوتر ولکن من النوع الحراری المعروف باسم الطابعات الحراریة

انواع اجهزة الامواج فوق الصوتیة

الاجهزة التی تحدثنا عنها حتى الان هی اجهزة للتصویر ثنائی الابعاد ولکن هناک نوعان من الاجهزة التی تستخدم نفس التقنیات وهی اجهزة التصویر ثلاثیة الابعاد واجهزة دبلر للامواج فوق الصوتیة.

اجهزة التصویر ثلاثیة الابعاد 3D Ultrasound Imaging

وتعتمد فکرة هذا الجهاز للحصول على صور مجسمة ثلاثیة الابعاد لاعضاء الداخلیة فی جسم الانسان أو للجنین من خلال تمریر المجس فوق الجسم او ادارتة المجس حول الجسم لاخذ عدة صور ویقوم الکمبیوتر بتکوین الصور المجسمة منها.

صور ثلاثیة الابعاد باستخدام التقنیات الحدیثة للتصویر بالامواج فوق الصوتیة.

أجهزة دبلر للامواج فوق الصوتیة Doppler Ultrasound

استخدام جهاز دبلر للامواج فوق الصوتیة لقیاس سرعة تدفق الدم خلال القلب.
وهی اجهزة تستخدم ظاهرة دبلر وفکرتها ان الامواج الفوق صوتیة المنعکسة عن الاعضاء المتحرکة یحدث تغییر فی التردد بین الامواج الفوق صوتیة المرتدة والامواج الفوق صوتیة الساقطة على الجسم. ومن فارق التردد بین الموجات المرتدة والصادرة یمکن حساب سرعة هذه الاعضاء بدقة مثل حساب سرعة تدفق الدم من القلب وإلی الاوعیة الدمویة والشرایین.

مخاطر استخدام الامواج فوق الصوتیة

بالرغم من انه لم تسجل ایه حالات مرضیة فی کلا من الانسان أو الحیوان الذی تعرض لفحوصات بواسطة الامواج فوق الصوتیة وان هذه الاجهزة ستبقى مستخدمة کأحد وسائل التشخیص بدون اجراء جراحة او استخدام مواد مشعة تحقن فی المریض الا انه ینصح باستخدامها کلما دعت الضرورة فقط. ووذلک تفادیا لتعریض اجزاء من جسم الانسان للطاقة الصوتیة الناتجة عن الامواج فوق الصوتیة والتی تمتص بسهولة فی الماء الموجود فی الانسجة الحیة مما یسبب ارتفاع موضعی فی درجة الحرارة للمناطق المعرضة للامواج فوق الصوتیة.

التطورات والمستقبل

کلما تطورت اجهزة الکمبیوتر کلما تطورت اجهزة الامواج فوق الصوتیة من ناحیة السرعة والقدرة التخزینیة للمعلومات. کما جاری العمل على تطویر التصویر ثلاثی الابعاد باستخدام الامواج فوق الصوتیة وانتاج اجهزة صغیرة الحجم.
اما التطور الاغرب والمشوق هو تحویل الصور المأخوذة من جهاز الامواج فوق الصوتیة وتغذیتها لخوذة یضعها الطبیب على رأسه لتبنی مجسم وهمی للانسان الذی یتم تصویره تمکن الطبیب من فحص الاجزاء الداخلیة لجسم الانسان.

المصدر : تحقیق راسخون