تعداد فرکانس بیشتر تصویر بهتر

امروزه استفاده از امواج فراصوت یكی از روش های متداول در تشخیص و درمان است و در جهت بهینه كردن كارآیی این سسیتم ها پژوهش های زیادی اختصاص داده شده است از جمله مسایل مطرح در این رابطه استفاده از ترانسدیوسرهای چندفركانسی است

امروزه استفاده از امواج فراصوت یكی از روش‌های متداول در تشخیص و درمان است و در جهت بهینه كردن كارآیی این سسیتم‌ها پژوهش‌های زیادی اختصاص داده شده است. از جمله مسایل مطرح در این رابطه استفاده از ترانسدیوسرهای چندفركانسی است.‏

● كاربرد تشخیصی امواج التراسوند

سونوگرافی، كاربرد وسیعی درتشخیص پزشكی دارد، زیرا روشی غیر یونیزان و غیر تهاجمی است. به طوری كه استفاده بالینی از آن رشد سریعی در تصویربرداری پزشكی داشته است. در یك سیستم سونوگرافی تشخیصی می‌بایست دسته پرتو التراسوند تولید شده به سمت بدن فرستاده شود و سپس اكوهای برگشتی از سطوح مختلف بدن آشكار شود.‏

ترانسدیوسر قادر است انرژی صوتی را به بافت‌های عمقی فرستاده و آنها را دریافت كند. بدین ترتیب می‌توان ساختمان‌های عمیقی را مورد بررسی قرار داد. در واقع ترانسدیوسر چشم سیستم است كه بین قسمت‌های الكترونیك و بیمار قرار گرفته و جزء مهمی از سیستم است. در روش پالس- اكو، ترانسدیوسر انرژی الكتریكی را به انرژی صوتی تبدیل كرده و انتقال اكوها از شكل انرژی صوتی به انرژی الكتریكی انجام می‌شود.‏

جزء اصلی ترانسدیوسر در روش پالس اكو المنت پیزوالكتریك است و در شرایطی المنت پیزوالكتریك در بیشترین بهره كار می‌كند كه فركانس ولتاژ به كار رفته مشابه فركانس رزونانس باشد. این فركانس ذاتی بستگی به ضخامت كریستال دارد. هنگامی كه كریستال به‌وسیله یك پالس ولتاژ ضربه می‌خورد، امواج التراسوند تولید می‌شود و موج‌های متعددی شكل می‌گیرد كه به سمت جلو و عقب كریستال حركت می‌كند. این امواج منجر به تولید امواج سازنده در كریستال شده كه بستگی به ضخامت كریستال دارد. در صورتی تداخل سازنده به‌وجود می‌آید كه یك موج تك در طول كریستال به سمت جلو و عقب حركت كند. فاصله كه در این حالت فاصله بین دو سطح باید معادل نصف طول موج باشد.‏

ساختمان ترانسدیوسر برای كاربردهای مختلفی طراحی شده است. به‌طوری كه در كاربردهای پالس اكو، ترانسدیوسر جهت ایجاد بیشترین انرژی از سطح جلویی ترانسدیوسر ساخته شده است. در سونوگرافی تشخیصی ترانسدیوسر ضربات كوتاه صوتی را به بیرون ارسال كرده و به دنبال آن یك زمان سكوت برای دریافت (شنیدن) اكوهای برگشتی قبل از اینكه موج صوتی دیگری تولید شود وجود دارد.

در این حالت لایه پشتی باید تمام انرژی را به جز انرژی مربوط به یك سیكل صوتی كه در سطح جلویی ترانسدیوسر تولید شده را جذب كند. جهت انتقال بیشترین انرژی از تركیب اپوكسی رزین و پودر تنگستن استفاده می‌شود تا امپدانس لایه پشتی مشابه كریستال باشد. ایجاد پالسی‌های كوتاه در سونوگرافی تشخیصی اهمیت دارد. زیرا هر چه پالس كوتاهتر باشد، ساختمان‌های بدن را بهتر نشان می‌دهد. اندازه‌گیری توان جداسازی (قدرت تفكیك) دو نقطه نزدیك به هم در دستگاه‌های سونوگرافی از ارزش زیادی برخوردار است. این جداسازی (تفكیك) كوچك‌ترین فاصله میان دو نقطه یا دو ساختمان جداگانه یا دو مرز مشترك است كه دستگاه می‌تواند به‌صورت دو ساختمان جداگانه به جای یك ساختمان نشان دهد.‏

توانایی دستگاه نگاره‌برداری در جداسازی دو مرز مشترك كه روی یك محور طولی و در راستای تابش موج قرار دارد به نام قدرت تفكیك محوری است كه متناسب با فركانس ترانسدیوسر است. هر چه فركانس رزونانس بیشتر باشد، پالس التراسوند كوتاه‌تر و رزالوشن محوری بهتر است. بنابراین می‌بایست مصالحه‌ای بین رزالوشن مناسب و عمق نفوذ قابل قبول وجود داشته باشد. زیرا هر چه فركانس بیشتر شود میزان تضعیف نیز بیشتر می‌شود.‏

در كاربردهای پزشكی، از فركانس ‏MHZ‏۳ برای سونوگرافی قلب بزرگسالان، ‏‎ MHZ‎‏ ۵ در كودكان و از فركانس ‏‎ MHZ‎‏ ۱۵-۱۰ در آزمایشات التراسوند چشم استفاده می‌شود.

جهت افزایش بهره ترانسدیوسر از یك ماده جفت‌كننده با ضخامت یك چهارم طول موج در سطح جلویی المنت پیزوالكتریك استفاده می‌شود كه به منظور هماهنگ شدن امپدانس بالای المنت پیزوالكتریك با امپدانس پایین‌تر بافت است. امپدانس صوتی لایه هماهنگ‌كننده باید به‌گونه‌ای باشد كه بهترین رزالوشن محوری (كوتاه‌ترین پالس ممكن)، با بیشترین شدت ایجاد شده در ترانسدیوسرهایی كه از یك لایه یك چهارم طول موج استفاده می‌كند، بیشترین خاصیت را دارد.‏

در كاربردهای تشخیصی پالس‌های كوتاه انرژی صوتی از طریق ترانسدیوسر به بدن فرستاده می‌شود و محدوده فركانسی آن بین ‏MHZ‏ ۳۰-۱ است كه معمولاً بین ‏MHZ‏ ۸-۱ است. اختلاف امپدانس صوتی (ناشی از سرعت و دانسیته) بافت سبب می‌شود كه انرژی منعكس شود و اكو، شكل گیرد.

با توجه به اینكه اختلاف امپدانس صوتی بین لایه‌های مجاور بافت كوچك است، اكوهای برگشتی ضعیف بوده و باید تقویت شود و در نهایت روی صفحه مانیتور تلویزیون تغییرات شدت كه بستگی به بزرگی اكوهای دریافتی دارد نشان داده می‌شود.‏

در طی آزمایش‌های التراسوند ارگان‌ها، می‌بایست عمق نفوذ بالا باشد تا یك نمای كلی از ارگان داشت و سپس بتوان ناحیه مورد نظر را با قدرت تفكیك بهتر دید. در این شرایط بهتر است ترانسدیوسر در بیش از یك فركانس عمل كند. جهت تغییر فركانس ترانسدیوسر باید خود ترانسدیوسر عوض شود. امروزه با تغییر ساختار المنت‌های پیزوالكتریك می‌توان بدون تعویض ترانسدیوسر به فركانس‌های مختلفی دسترسی داشت.

در سیستم‌های التراسوند تشخیصی كریستال‌های به‌كار رفته سرامیكی و از جنس زیركونات سرب و تیتاتسرب (‏PZT‏) است. همچنین از تركیبات دیگری مثل تیتات سرب باریم، زیركونات سرب باریم و لانتانیم سولفات نیز استفاده می‌شود.

یكی از پیشرفت‌های با اهمیت در زمینه ترانسدیوسرهای التراسوند استفاده از مواد كامپوزیت پیزوالكتریك است كه از ویژگی‌های چشمگیری برخوردار است، از جمله: ‏

بهره جفت شدگی الكترومكانیكی بالایی دارند.

این ضریب (‏k‏) معرف تبدیل تحریك الكتریكی به انرژی صوتی و انرژی صوتی به سیگنال الكتریكی و مقدار آن برابر است با: ‏k=dg

ـ d‏: سهمی از انرژی الكتریكی كه به انرژی صوتی تبدیل می‌شود.‏

ـ g‏: سهمی از انرژی اكوهای برگشتی كه به انرژی الكتریكی تبدیل می‌شود.

امپدانس صوتی این مواد پایین است. امپدانس صوتی (‏z‏) برابر حاصل‌ضرب سرعت در دانسیته است.

هر چه امپدانس دو ماده به هم نزدیك‌تر باشد میزان عبور امواج صوتی افزایش می‌یابد.

ثابت دی‌الكتریك این مواد بالاست. ثابت دی الكتریك (۴) میزان كشش نسبی ناشی از فشار الكتریكی در كریستال و ولتاژ ایجاد شده به دنبال كشش ایجاد شده است. هر چه ثابت دی الكتریك بالا باشد میزان نویز الكترونیك ناشی از قابل و آمپلی‌فایرها بیشتر كاهش می‌یابد. ویژگی‌های كامپوزیت‌هابستگی به حجم ماده و توزیع المنت‌های سرامیكی در ماتریس پلیمری دارد و به‌طور كلی از كامپوزیت‌ها (۳-۱) در كاربردهای پالس- اكو استفاده می‌شود.‏

در طی ده سال گذشته انواع مختلف كامپوزیت‌های پلیمری پیزوالكتریك مطالعه شده است به‌طوری كه می‌توان با استفاده از روش‌های تئوریك و تجربی پارامترهای صوتی و الكتریك كامپوزیت را پیش‌بینی كرد و این یافته‌ها به طراحی ترانسدیوسرهای التراسوند بر اساس كامپوزیت‌های پیزوالكتریك مفید باشد.‏

پیشنهادات مختلفی در این رابطه شده است از جمله استفاده از سرامیك‌های میله‌ای با سطح مقطع مثلثی یا تغییر بخش پلیمر به عنوان مثال تغییر ضریب پوآسون اهمیت این كامپوزیت‌ها در افزایش باند فركانسی است.‏

‏"‏Bowen‏" و همكاران (۱۹۸۰) استفاده ازكامپوزیت‌ها كه ساختمان پله‌ای داشت را پیشنهاد كردند در اینجا، پهنا افزایش می‌یابد. مشكل این روش این بود كه پاسخ كاموزیت بسیار پیچیده بود و درراستای محورترانسدیوسر تغییرات خطی در فركانس و دامنه وجود داشت.

"‏Sancher‏" و همكاران (۱۹۹۹) پیشنهاد كردند كه كامپوزیت‌های پیزوالكتریك چندفركانسه می‌تواند پهنای استاندارد فركانس پیزوالكتریك كامپوزیت‌ها را افزایش دهد. طراحی این سیستم‌های چند فركانسی بدین صورت بود كه از نوارهای سرامیكی با طول و ضخامت یكسان ولی پهنای مختلف استفاده كردند. در اینجا نوارهای پیزوالكتریك طول (‏L‏) بزرگ‌تر از پهنا و ضخامت است. در این مدل فرض می‌شود كه فركانس رزونانس به ضخامت بستگی دارد و از پهنا مستقل است و درصد حجمی ماده سرامیك پارامتر اصلی در طراحی است.‏

فركانس رزونانس نوار سرامیكی با تغییر پهنا به ضخامت تغییر می‌كند كه با استفاده از تئوری "‏Onoe‏" می‌توان شیفت فركان نوار پیزوالكتریك را محاسبه كرد.

اگر نسبت پهنا به ضخامت ۱/۰=‏w/t‏ باشد نسبت به آنهایی كه ۸/۰=‏w/t‏ است شیفت فركانس رزونانس ۸ درصد بیشتر است. بنابراین در كامپوزیت‌های پیزوالكتریك كه نوارها از دو نوع مختلف است. طیف رزونانس با پهن شدن باند فركانسی را خواهیم داشت.

در صورتی كه نسبت پهنا به ضخامت نوارهای سرامیكی متفاوت باشد، ثابت‌های ماده كامپوزیت‌ نیز متفاوت است. زیرا نسبت بین استرس‌ها در دو جهت متفاوت است. بنابراین رفتار كامپوزیت به نسبت پهنا به ضخامت نوارهای پیزوالكتریك بستگی دارد و در واقع ثابت الاستیك مواد سرامیكی به نسبت ‏w/t‏ بستگی دارد.‏

ماده مورد نظر ‏Pz-۲۷‎‏ برای بخش سرامیكی و ‏Araldith‏ (‏Ciba & Geigy‏) قسمت پلیمر است. با افزایش پهنای نوارها ضریب جفت‌شدگی افزایش و امپدانس صوتی و سرعت كاهش می‌یابد و با افزایش نسبت ضریب جفت‌شدگی الكترومكانیكی افزایش می‌یابد بنابراین نسبت پهنا به ضخامت المنت پیزوالكتریك ماده پیزوالكتریك پارامتری در طراحی ترانسدیوسر می‌شود و در واقع شیفت فركانس رزونانس می‌تواند در طراحی كامپوزت‌های چندفركانسه مورد استفاده قرار گیرد.‏

در این شرایط پلیمر یك جزء غیرفعال است كه باعث جفت شدن المنت‌های سرامیك می‌شود. امواج مكانیكی می‌تواند از این ماده عبور كند هنگامی كه المنت بایاس المنت‌ها یا فركانس رزونانس مختلف احاطه می‌شود.‏

در كامپوزیت‌ها با دو تركیب مختلف می‌توان یك كامپوزیت با ویژگی‌های بهتری ایجاد كرد. در كامپوزیت پیزوالكتریك ویژگی جفت شدن الكترومكانیكی بالا و امپدانس صوتی پایین است. وقتی كامپوزیت ارتعاش پیدا می‌كند ویژگی رزونانس كامپوزیت پیچیده‌تری از یك دیسك سرامیكی تنها است. ویژگی رزونانس دیسك سرامیكی شامل یك رزونانس شامل یك رزونانس اصلی و یك فركانس آنتی رزونانس تكی است.

فركانس رزونانس ‏fr‏ به طور معكوس متناسب با ضخامت دیسك سرامیكی است و می‌توان نوشت: ‏

ـ Nt‏= ثابت فركانسی ماده سرامیكی ‏

ـ t‏= ضخامت دیسك سرامیكی ‏

حالت‌های رزونانس ماده كامپوزیت‏، پیچیده‌تر است. گرچه پیچیدگی ذاتی ضخامت این رزونانس‌ها شناخته نشده است و هیچ تلاشی در رابطه با به كارانداختن ویژگی‌های این مواد كامپوزیتی در ترانسدیوسرهای چند فركانسی نشده است این امر از برخورد پیچیده بین حالت‌های ارتعاش ناشی می‌شود و نمی‌توان یك پاسخ مشخص در فركانس مورد نظر داشت.

در صورتی كه ترانسدیوسر شبیه یك دیسك ساخته شود و المنت‌های پیزوالكتریك به صورت میله‌های موازی با سطح مقطع مربعی در ماتریس پلیمری قرار گیرد، می‌توان به ترانسدیوسری دسترسی داشت كه در بیش از یك فركانس كار كند. جنس المنت‌های پیزوالكتریك از زیركونات تینات سرب بوده و ماتریس رزین پلیمر از جنس اپوكسی یا پلی پوراتین است میله‌های پیزوالكتریك سرامیكی در یك ماتریس پلیمری قرار گرفته‌ است و یك سطح مقطع مربعی دارد هر چه جفت شدن الكترومكانیكی بالاتر باشد، بهره ترانسدیوسر بالاتر است. پلیمر به‌گونه‌ای است كه نسبت ضریب پواسون آن پایین باشد‎؛ یعنی نسبتاً نرم است؛ پلیمر ارتعاشات بین اجزاء سرامیكی را تحمل می‌كند.

جهت خرد كردن كامپوزیت به شكل خاص یا ضخامت مورد نظر از ماده اپوكسی استفاده می‌شود. ارتباطات الكتریكی جهت تحریك المنت‌های پیوزالكتریك توسط یك ژنراتور الكتریكی ایجاد می‌شود. جهت مشخص كردن فركانس، ژنراتور الكتریكی شامل یك قسمت انتخاب فركانس است كه به‌وسیله آن ژنراتور تحریك لازم برای المنت‌های پیزوالكتریك را فراهم می‌كند. در واقع یك فركانس جهت تحریك ضخامت المنت پیزوالكتریك است و دومین فركانس جهت تحریك وجه كناری المنت پیزوالكتریك است به‌طوری كه حالت رزونانس كناری و ضخامت به نام حالت‌های اصلی ارزش المنت‌های پیزوالكتریك است. نسبت پهنا به ضخامت المنت پیزوالكتریك به گونه‌ای است كه حالت فركانس رزونانس ضخامت ۵/۲ برابر مد فركانس رزونانس كناری است.‏

جهت پردازش سیگنال‌های الكتریكی المنت‌های پیزوالكتریك و سیگنال‌های الكتریكی ناشی از پالس‌های التراسوند انعكاس به یك گیرنده نیاز است این گیرنده شامل پردازشگر سیگنال برای پردازش سیگنال‌های الكتریكی و در نهایت نمایش سیگنال‌های پردازش شده است.

نویسنده: مهری کاویانی

---