إنتاج الموجات فوق الصوتية واستخدامها

بدون الجيلي لن ترى شيئاً على الإطلاق

• قبل الفحص، يدهن المصور بالموجات فوق الصوتية هجلاً بارداً على الجلد. يبدو كإجراء لتخفيف الانزعاج، لكنه ليس كذلك.
• بدونه توجد طبقة رقيقة من الهواء بين المجس والجلد، وينعكس 99.9% من النبضة مباشرة منها.
• باستخدام الهجيل، ينعكس حوالي $0.2\%$ فقط ويدخل معظم النبضة تقريباً إلى الجسم.
• رقم واحد، يُحسب من $Z = \rho c$، هو الذي يحسم الأمر. هذه الدرس يوضح كيف تُنتج الموجات فوق الصوتية وكيف تُستخدم وماذا يعني هذا الرقم.

التأثير الكهروضغطي

• بلورة كهروضغطة مثل الكوارتز أو PZT تقوم بشقين مترابطين، وكلاهما ضروري.
• ضع فرق جهد عبرها فتتغير أبعادها. هكذا تُنتج الاهتزازات.
• غيّر أبعادها، بالضغط عليها، فتظهر قوة دافعة كهربائية عبرها. هكذا تُكتشف الاهتزازات.
• المؤثرتان عكس دقيق إحداهما للأخرى، ولهذا يمكن لبلورة واحدة أداء كلا الوظيفتين.

ادفعها فتتكلم، تكلم إليها فتدفع رداً

المجس

• يستخدم المجس هذا التأثير لإنتاج ورصد الموجات فوق الصوتية، أي موجات طولية ذات تردد أعلى من $20\ \text{kHz}$.
• الإنتاج، لثلاث درجات: يُطبق فرق جهد متناوب عبر البلورة؛ تتمدد البلورة وتنكمش بتردد فرق الجهد; يُضبط فرق الجهد على التردد الرنين للبلورة ليكون الاهتزاز كبيراً، وتدفع الأوجه النسيج.
• الرصد، لدرجتين: تغيرات ضغط الموجة العائدة تغيّر شكل البلورة، والشكل المتغير يولد قوة دافعة كهربائية، يتم تضخيمها وتسجيلها.
• نفس البلورة تقوم بالكلي، تتبديل بين الإرسال والاستماع.

بلورة واحدة، وظيفتان

التصوير بالنبضة-الصدى

• outline رباعي الدرجات: يُرسل نبضة عبر الهجيل الموصل؛ عند كل حد فاصل ينعكس جزء ويعود؛ يعطي التأخير الزمني العمق؛ شدة الصدى تخبر بنوع الحد الفاصل.
• العمق يأتي من رحلة الذهاب والإياب:

• مسح المجس، أو استخدام مصفوفة، يبني صورة ثنائية الأبعاد.
• معامل $2$ هو الخطأ الحسابي الأكثر شيوعاً في هذا الموضوع.

نبضة واحدة للخارج، عدة صدى للداخل

مثال محلول: كم عمق الحد الفاصل

لماذا نبضات، ولماذا ميجاهرتز

• يرسل المجس نبضة قصيرة ثم يستمع. يجب أن تصل كل نبضة صدى قبل مغادرة النبضة التالية، وإلا لا يمكن تمييز صداه من نبضات مختلفة، ولا يمكن للبلورة إرسال واستقبال في نفس اللحظة.
• التردد هو توفيق. التردد الأعلى يعني طول موجة أقصر وتفاصيل أدق، ودقة أفضل.
• ولكن التردد الأعلى أيضاً يتوهن بشكل أكبر، لذا يحتاج عضو عميق إلى تردد أقل من العضو السطحي.
• المسح الطبي يستخدم $1$ إلى $15\ \text{MHz}$، مما يعطي أطوال موجة ككسر من المليمتر في الأنسجة.

المعاوقة الصوتية النوعية

• المعاوقة الصوتية النوعية للوسط هي حاصل ضرب كثافته وسرعة الصوت فيه.

• يجب تسمية كلتا الكمية للحصول على العلامتين. لا تُمنح علامة لـ "مدى صعوبة مرور الصوت".
• الكثافة وحدها لا تحدد ذلك: الماء والأنسجة الرخوة لهما تركيبات مختلفة جداً ولكنهما يمتلكان نفس $Z$ تقريباً، وهو $Z$ وليس الكثافة الذي يحدد مقدار الانعكاس.
• بالنسبة للأنسجة الرخوة: $Z = 1060 \times 1540 = 1.6\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$.

مقدار الانعكاس عند الحدود الفاصلة

• عند حدود بين معاوقتي $Z_1$ و$Z_2$، يكون معامل انعكاس الشدة هو:

• المعاوقات المختلفة تماماً تعكس تقريباً كل شيء، وهذا هو مشكلة الجلد-الهواء.
• المعاوقات المتشابهة تماماً تعكس تقريباً شيئاً، لذا تبدو الحدود غير مرئية.
• الحالة المفيدة للتصوير تقع في المنتصف: مختلفة بما يكفي لإعطاء صدى، ومتشابهة بما يكفي ليستمر النبض إلى الحد الفاصل التالي.

عدم التطابق هو الصدى

مثال محلول: لماذا الجل ليس اختيارياً

التوهين

• يضعف الموجات فوق الصوتية أثناء انتقالها، بنفس القانون الأسي الذي يحكم الأشعة السينية والتحلل الإشعاعي:

• $\mu$ هو معامل التوهين للوسط، والتردد الأعلى له معامل $\mu$ أكبر، وهو التنازل الذي يكمن وراء اختيار التردد.
• لإيجاد السمك، خذ اللوغاريتم: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$.
• انتبه للوحدات: $\mu$ في $\text{cm}^{-1}$ يتطلب $x$ بالسنتيمتر. خلطها هو الخطأ القياسي ويعطي إجابة خاطئة بعامل $100$ في الأس.

علامات ضائعة

لقد فهمت الأمر