تحقیق بررسی انرژی صوت

تحقیق بررسی انرژی صوت در 55 صفحه ورد قابل ویرایش
دسته بندی فنی و مهندسی
فرمت فایل doc
حجم فایل 47 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل 55

تحقیق بررسی انرژی صوت

فروشنده فایل

کد کاربری 6017

تحقیق بررسی انرژی صوت در 55 صفحه ورد قابل ویرایش

ماوراء صوت (Ultrasound)

پرتو X از لحظه كشف به استفاده عملی گذاشته شد, و در طی چند سال اول بهبود در تكنیك و دستگاه به سرعت پیشرفت كرد. برعكس, اولتراسوند در تكامل پزشكیش بطور چشمگیری كند بوده است. تكنولوژی برای ایجاد اولتراسوند و اختصاصات امواج صوتی سالها بود كه دانسته شده بود. اولین كوشش مهم برای استفاده عملی در جستجوی ناموفق برای كشتی غرق شده تیتانیك در اقیانوس اطلس شمالی در سال 1912 بكار رفت سایر كوششهای اولیه برای بكارگیری ماوراء صوت در تشخیص پزشكی به همان سرنوشت دچار شد. تكنیكها, بویژه تكنیكهای تصویرسازی, تا پژوهشهای گسترده نظامی در جنگ دوم بطور كافی بسط نداشت. سونار, Sonar (Sound Navigation And Ranging) اولین كاربرد مهم موفق بود. كاربردهای موفق پزشكی به فاصله كوتاهی پس از جنگ, در اواخر دهة 1940 و اوایل دهة 1950 شروع شد و پیشرفت پس از آن تند بود.

اختصاصات صوت

یك موج صوتی از این نظر شبیه پرتو X است كه هر دو امواج منتقل كننده انرژی هستند. یك اختلاف مهمتر این است كه پرتوهای X به سادگی از خلاء عبور می‌كنند درحالیكه صوت نیاز به محیطی برای انتقال دارد. سرعت صوت بستگی به طبیعت محیط دارد. یك روش مفید برای نمایش ماده (محیط) استفاده از ردیفهای ذرات كروی است, كه نماینده اتمها یا ملكولها هستند كه بوسیله فنرهای ریزی از هم جدا شده اند (شكل A 1-20). وقتی كه اولین ذره جلو رانده می‌شود, فنر اتصالی را حركت می‌دهد و می فشرد, به این ترتیب نیرویی به ذره مجاور وارد می آورد (شكل 1-20). این ایجاد یك واكنش زنجیره ای می‌كند ولی هر ذره كمی كمتر از همسایه خود حركت می‌كند. كشش با فشاری كه به فنر وارد می‌شود بین دو اولین ذره بیشترین است و بین هر دو تایی به طرف انتهای خط كمتر می‌شود. اگر نیروی راننده جهتش معكوس شود, ذرات نیز جهتشان معكوس می‌گردد. اگر نیرو مانند یك سنجی كه به آن ضربه وارد شده است به جلو و عقب نوسان كند, ذرات نیز با نوسان به جلو و عقب پاسخ می دهند. ذرات در شعاع صوتی به همین ترتیب عمل می‌كنند, به این معنی كه, آنها به جلو و عقب نوسان می‌كنند, ولی در طول یك مسافت كوتاه فقط چند میكرون در مایع و حتی از آن كمتر در جامد.

اگر چه هر ذره فقط چند میكرون حركت می‌كند, از شكل 1-20 می توانید ببینید كه اثر حركت آنها از راه همسایگانشان در طول خیلی بیشتری منتقل می‌شود. در همان زمان, یا تقریباً همان زمانی كه اولین ذره مسافت a را می پیماید, اثر حركت به مسافت b منتقل می‌شود. سرعت صوت با سرعتی كه نیرو از یك ملكول به دیگری منتقل می‌شود تعیین می‌گردد.

امواج طولی

ضربانات اولتراسوند در مایع به صورت امواج طولی منتقل می‌شود. اصطلاح «امواج طولی» یعنی اینكه حركت ذرات محیط به موازات جهت انتشار موج است. ملكولهای مایع هدایت كننده به جلو و عقب حركت می‌كنند و ایجاد نوارهای انقباض و انبساط (شكل 2-20) می‌كنند. جبهه موج در زمان 1 در شكل 2-20, وقتی طبل لرزنده ماده مجاور را می فشارد آغاز می‌شود. یك نوار انبساط, در زمان 2, وقتی كه طبل جهتش معكوس می‌گردد, پیدا می‌شود. هر تكرار این حركت جلو و عقب را یك سیكل (Cycle) یا دوره تناوب گویند و هر سیكل ایجاد یك موج جدید می‌كند. طول موج عبارت است از فاصله بین دو نوار انقباض, یا دو نوار انبساط, و بوسیلة علامت نشان داده می‌شود. وقتی كه موج صوتی ایجاد شد, حركت آن در جهت اولیه ادامه می یابد تا اینكه منعكس شود, منكسر شود یا جذب گردد. حركت طبل لرزان كه برحسب زمان رسم شده است, یك منحنی سینوسی را كه در طرف چپ شكل 2-20 نشان داده شده است تشكیل می‌دهد. اولتراسوند, برحسب تعریف, فركانسی بیش از 20000 سیكل بر ثانیه دارد. صوت قابل شنیدن فركانسی بین 15 و 20000 سیكل بر ثانیه دارد (فركانس میانگین صدای مرد در حدود 100 سیكل بر ثانیه و از آن زن در حدود 200 سیكل بر ثانیه می‌باشد). شعاع صوتی كه در تصویرسازی تشخیصی بكار می رود فركانسی از 000/000/1 تا 000/000/20 سیكل بر ثانیه دارد. یك سیكل بر ثانیه را یك هرتس (Hertz) گویند. یك میلیون سیكل بر ثانیه یك مگاهرتس (مختصر شده آن (MHz) است. اصطلاح هرتس به افتخار فیزیكدان مشهور آلمانی Heinrich R.Hertz می‌باشد كه در سال 1894 وفات یافت.

سرعت صوت

برای بافتهای بدن در محدودة اولتراسوند پزشكی, سرعت انتقال صوت مستقل از فركانس می‌باشد و عمدتاً بستگی به ساختمان فیزیكی ماده ای دارد كه از میان آن صوت عبور می‌كند. خواص مهم محیط منتقل كننده عبارتند از : (1) قابلیت انقباض (compressibility) و (2) چگالی (Density). جدول 1-20, سرعت صوت را در بعضی از مواد شناخته شده, از جمله چندین نوع بافت بدنی, نشان می‌دهد. مواد به ترتیب افزایش سرعت انتقال مرتب شده اند, و می توانید ببینید كه صوت در گازها از همه كندتر, در مایعات با سرعت متوسط, و از همه تندتر در اجسام جامد حركت می‌كند. ملاحظه كنید كه تمام بافتهای بدن, جز استخوان, مانند مایعات رفتار می‌كنند و بنابراین همگی صوت را تقریباً با یك سرعت منتقل می‌كنند. یك سرعت 1540 متر بر ثانیه به عنوان میانگین برای بافتهای بدن بكار می رود.

قابلیت انقباض: سرعت صوت با قابلیت انقباض ماده منتقل كننده نسبت معكوس دارد, به این معنی كه هرچه ماده كمتر قابل انقباض باشد, صوت در آن تندتر منتقل می‌شود. امواج صوتی در گازها آهسته حركت می‌كنند زیرا ملكولها از هم دورند و به آسانی قابل انقباضند. آنها به گونه ای رفتار می‌كنند كه گویی بوسیلة فنر سستی بهم بسته اند. یك ذره باید فاصله نسبتاً طویلی را بپیماید پیش از اینكه بوسیله یك همسایه تحت تأثیر قرار گیرد. مایعها و جامدها كمتر قابل انقباضند زیرا ملكولهایشان به یكدیگر نزدیكترند. آنها فقط نیاز به طی مسافت كوتاهی دارند تا در همسایه اگر گذارند, بنابراین مایعها و جامدها صوت را تندتر از گاز منتشر می‌كنند.

جذب (Absorption)

جذب اولتراسوند در مایع نتیجه نیروهای اصطكاكی است كه با حركت ذرات در محیط مقابله می‌كنند. انرژی كه از شعاع اولتراسوند گرفته می‌شود تبدیل به حرارت می‌گردد. بطور دقیقتر, جذب یعنی تبدیل اولتراسوند به انرژی حرارتی, و تخفیف (Attenuation) یعنی كاهش كلی پیشرفت, از جمله جذب, پخش, و انعكاس.

مكانیسمهای درگیر در جذب نسبتاً پیچیده اند و توضیحات ما خیلی آسان گیری خواهد بود. سه عامل مقدار جذب را تعیین می‌كنند. (1) فركانس صوت, (2) ویسكوزیته محیط منتقل كننده, و (3) زمان استراحت (Relaxation) محیط. ما درباره فركانس در آخر بحث خواهیم كرد زیرا دو عامل دیگر در آن اثر دارند.

اگر ما صوت را تشكیل شده از ذرات مرتعش تصویر كنیم, اهمیت ویسكوزیته آشكار می‌شود. با افزایش ویسكوزیته آزادی ذره كم می‌شود و اصطكاك داخلی افزایش می یابد. این اصطكاك داخلی شعاع را جذب می‌كند یا شدت آن را با تبدیل صوت به گرما می كاهد. در مایعات كه ویسكوزیته كمی دارند, جذب خیلی كمی صورت می‌گیرد. در بافتهای نرم ویسكوزیته بیشتر است و جذب متوسط صورت می پذیرد, درحالیكه استخوان جذب زیاد اولتراسوند نشان می‌دهد.

زمان استراحت زمانی است كه ملكولها پس از اینكه جابجا شدند به وضعیت اولیه خود برمی گردند. این موضوع به حالت ارتجاعی (Resilience) ماده اشاره دارد. دو ماده با ویسكوزیته یكسان ممكن است زمانهای استراحت مختلف داشته باشند. زمان استراحت برای هر ماده بخصوص ثابت است.

وقتی یك ملكول با زمان استراحت كوتاه بوسیله یك موج طولی انقباضی فشرده می‌شود, قبل از اینكه موج انقباضی بعدی برسد زمان برای برگشت به حالت استراحت خود دارد. یك ملكول با زمان استراحت طولانی تر, ممكن است قادر نباشد پیش از اینكه موج بعدی برسد, كاملاً به حالت اول برگردد. وقتی این اتفاق افتد, موج انقباضی در یك جهت و ملكول در جهت دیگر حركت می‌كند. انرژی بیشتری از آنچه كه در ابتدا ملكول را حركت داد لازم است تا جهت ملكول را برگرداند. انرژی اضافی تبدیل به گرما می‌شود.

در بافت نرم رابطه خطی بین جذب اولتراسوند و فركانس وجود دارد. دو برابر كردن فركانس تقریباً جذب را دو برابر می‌كند و تقریباً شدت شعاع منتقل شده را نصف می‌كند. آگاهی از جذب باعث گزینش ترانسدوسر درست برای كار ویژه مورد نظر می‌شود. فركانسهای شایع موجود ترانسدوسر عبارتند از 1, 25/2, 5/3, 5, 7 و MHz 10. یك فركانس درست توازنی است بین قدرت تحلیل (فركانس بالاتر) و قابلیت رساندن انرژی به بافت (فركانس پایین) می‌باشد.

تخفیف اولتراسوند همچنین با حرارت بافتها تغییر می‌كند, ولی این رابطه با بافتهای مختلف متغیر است. مثلاً, در محدوده حرارت 7 تا 35 و محدوده فركانس 4/0 تا MHz 10, محلول فیزیولوژیك هموگلوبین كاهش تخفیف با افزایش حرارت نشان می‌دهد. در مقابل, بافتهای اعصاب مركزی نشان داده شده است كه با افزایش حرارت افزایش تخفیف نشان می دهند.

فركانس صوت در مقدار جذب كه بوسیله ویسكوزیته ماده ایجاد می‌شود مؤثر است. هرچه فركانس بالاتر باشد, (یعنی اینكه در زمان معین یك ذره بیشتر به جلو و عقب برود), حركتش بیشتر بوسیلة ماده پُر ویسكوزیته تحت تأثیر قرار می‌گیرد. فركانس همچنین, بر مقدار جذب كه بوسیله زمان استراحت ایجاد می‌شود اثر می‌كند. در فركانسهای پایین, ملكولها زمان كافی برای استراحت بین سیكلها دارند ولی, درحالیكه فركانس زیاد می‌شود, زمان استراحت بیشتر نسبت كل سیكل را اشغال می‌كند. این آثار در محدوده های پایینتر فركانسهای تشخیصی (MHz 1) قابل ملاحظه اند و افزایش آنها با فركانسهای بالاتر ادامه دارد.

فقط اطلاعات پراكنده برای تعیین مقدار جذب اولتراسوند در دسترس است. معمولاً یك ضریب جذب بكار برده می‌شود. این ضریب مشابه مفهوم ضریب تخفیف خطی است كه در پرتو X تعریف شد. واحد ضریب جذب دسیبل بر سانتیمتر ضخامت در فركانس MHz 1 است. تصریح MHz 1 ضروری است زیرا جذب بستگی به فركانس دارد. در MHz 2, ضریب جذب در حدود دو برابر بزرگتر است. جدول 6-20 ضریبهای جذب را برای مواد مختلف نشان می‌دهد. یك برش یك سانتیمتری كلیه, با ضریب جذب /cm dB 1, شدت صوت را dB 1 می كاهد. جدول 2-20 نشان می‌دهد كه dB 1- نشانگر جذب 21% شعاع است و اینكه 79% شعاع می ماند. یك برش cm 1 ضخامت ریه dB 41 جذب می‌كند, كه شدت را با ضریب بیش از 10000 می كاهد و كمتر از 01/0 % شعاع را باقی می گذارد.

تصویر سازی جدول خاكستری

با بوجود آمدن تصویرسازی جدول خاكستری, اسكن حالت B در 1972 قدم بزرگی به جلو برداشت. منظور از تصویرسازی جدول خاكستری نشان دادن تغییرات زیاد بلندیهای اكوهایی كه از بافتها می آیند به صورت سایه های خاكستری بر روی صفحه نمایشگر تلویزیون می‌باشد. این متضاد تصویر دورنگی یا تصویر جدول خاكستری محدود شده است كه با تیوبهای اشعه كاتودیك ذخیره ای قابل انجامند. تصویر سازی جدول خاكستری با بوجود آمدن تیوب اسكن تبدیل حافظه (Scan conversion memory tube) ممكن شد (معمولاً آن را مبدل اسكن «Scan Conventer» گویند).

برخلاف تیوبهای پرتوكاتودیك ذخیره ای, تیوبهای مبدل اسكن ایجاد تصویر قابل رؤیت نمی‌كنند. درعوض, مبدل اسكن اطلاعاتی را كه از یك ترانسدوسر می رسد ذخیره می‌كند, و سپس, اطلاعات ذخیره شده را برای تولید علائمی كه برای ایجاد تصویر قابل رؤیت روی صفحه نمایش تلویزیون بكار می روند, بكار می برد. یك تیوب مبدل اسكن از این جهت كه باعث می‌شود كه یك شعاع الكترونی یك هدف را كه قابلیت ذخیره اطلاعات دریافت شده را دارد اسكن كند شبیه تیوب اشعه كاتودیك است. شعاع الكترونی, بطور متناوب برای «نوشتن» اطلاعات بر روی هدف, «خواندن» اطلاعات, برای تولید علائم كه برای تلویزیون فرستاده می‌شود, و پاك كردن هدف برای آماده كردن آن برای دریافت اطلاعات جدید بكار می رود. هدف مبدل اسكن یك وسیله پیچیده ای است كه تشكیل شده است از صفحه پشتیبان سیلیكونی به قطر در حدود 25 میلیمتر كه بر روی آن بیش از یك میلیون قطعات مربعی ریز (در حدود 10) قرار داده شده است. منطقی است كه فرض كنیم كه وقتی ترانسدوسر برای اسكن بیمار در روش اسكن تماسی مركب بكار می رود. چندین اكوی برگشتی از یك نقطه بوسیله ترانسدوسر دریافت می‌شود. وقتی هدف مبدل اسكن علائم متعدد از یك نقطه دریافت می‌كند, فقط قویترین علامت را ضبط كرده, بقیه را دور می ریزد.

به این ترتیب, عكس نهایی فقط از قویترین اكو كشف شده از هر نقطه, و نه از جمع اتفاقی چندین علامت تشكیل شده است (این را «فرانویسی» «Overwriting» گویند). این دلیلی است كه چرا امتحان كننده قادر است با حركات مكرر ترانسدوسر در سطح هر تصویر, یك عكس قابل تشخیصتری بسازد. وقتی تصویر در هدف مبدل اسكن ذخیره شود می توان شعاع الكترونی را واداشت تا هدف را جاروب كند و ایجاد علامت قابل نشان دادن روی تلویزیون معمولی بنماید.

دوگونه تیوب اسكن مبدل حافظه وجود دارد. تیوب مبدل اسكن آنالوگ در 1972 درست شد. بعداً, مبدل اسكن دیژیتال جای آنالوگ را گرفت. اصطلاح های «آنالوگ» و «دیژیتال» نزد بیشتر پزشكان نسبتاً مبهمند. به سبب ورود انفجاری اجزای «دیژیتال» در كارهای تصویری تشخیصی, ما این عنوان را موضوع یك فصل تمام كرده ایم. بطور خلاصه, مبدل اسكن دیژیتال تغییرات بلندی اكوهای دریافتی بوسیله ترانسدوسر را به شماره های دوگانی (Binary) تبدیل می‌كند. این اطلاعات در 16 (4 بیت) یا 32 (5 بیت) و یا بیشتر از آن سطح خاكستری ذخیره می‌شود كه می توان روی نمایشگر تلویزیون نشان داد.

مبدل اسكن آنالوگ در استفاده بالینی قدری اشكال بوجود می آورد زیرا سطوح جدول خاكستری كه به هر بلندی اكو منسوب می شوند متمایلند جریان یابند, و باعث اختلال تصویر شود, و مقایسه بین اسكنهای انجام یافته در تاریخهای مختلف را مشكل كند.

همچنین, سوسو زدن نامطبوع تصویر كه روی تلویزیون دیده می‌شود وجود دارد. این سوسو زدن مربوط به این واقعیت است كه تیوب مبدل اسكن باید در عین حال تصویر را ذخیره كند (بنویسد) و آن را به نمایشگر تلویزیون بفرستد (بخواند). تیوب در زمانی كه تصویر دریافت می‌شود متناوباً وضع خود را به حالت خواندن و نوشتن در می‌آورد. یك تیوب مبدل آنالوگ قادر است كه این تبادل را با سرعت ده بار برای هر تصویر تلویزیونی انجام دهد. و ایجاد سوسو زدن قابل دید كند. تصویر وقتی بوسیله مبدل آنالوگ ذخیره شد, قبل از اینكه زوال تصویر شروع شود می تواند به مدت ده دقیقه دیده شود.

تیوبهای مبدل اسكن دیژیتال از جاری شدن (Drift) جدول خاكستری آزادند. آنها سرعت نوشتن خیلی سریعتر از واحد آنالوگ دارند, بنابراین سوسو زدن بر صفحه تلویزیون ندارند. تصویر وقتی ذخیره شود, بر تیوب ذخیره دیژیتال می تواند همیشه دیده شود. مبدلهای اسكن دیژیتال برای پردازش پیشرفته كامپیوتر مناسبند و قابل بكاربردن در تصویرسازی ریل تایم هستند. بنابراین به نظر می‌رسد تیوب حافظه ای مبدل اسكن دیژیتال جانشین دستگاه آنالوگ شود.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *