كيف تعمل الأمواج فوق الصوتية في الطب؟

وفي هذه المقالة العلمية سنحاول القاء الضوء على الأمواج الفوق صوتية وكيف تعمل الأجهزة الطبية المستخدمة في التشخيص المعتمدة على الامواج فوق الصوتية.

بدأت اول الابحاث في الموجات الصوتية منذ عام 1822 عندما سعى عالم الفيزياء (دانيل كولادين) السويسري الأصل لحساب سرعة الصوت عن طريق جرسه المائي في مياه بحيرة (جنيفا). والتي ادت لوضع ( نظرية الصوت ) في عام 1877 بجهود العالم ( لورد ريليه ) والتي شرحت الأساسيات الفيزيائية لموجات الصوت وانتقاله وارتداده. وتوالت الأبحاث تباعاً حتى كان تصميم أول نظام رادار صوتي والمعروف باسم ( Sonar ) في الولايات المتحدة عام 1914 لأغراض الملاحة البحرية ولتحديد أماكن المارينز الألماني في الحرب العالمية الأولى. ولم توظف الموجات فوق الصوتية لخدمة الأغراض الطبية حتى بداية الأربعينات على يد دكتور الأعصاب النمساوي (كارل ثيودو) والذي يعتبر أول طبيب استخدم الموجات فوق الصوتية في التشخيص الطبي وقد واجه في ذلك صعوبات بسبب امتصاص عظام الجمجمة لمعظم طاقة الموجات فوق الصوتية.
وبعد حصيلة جهود مكثفة للفيزيائيين والمهندسين الميكانيكيين والكهربائيين والبيولوجيين بالتعاون مع الأطباء ومبرمجي الكمبيوتر والباحثين ودعم الحكومات ابتدأ التشخيص بالموجات فوق الصوتية ليأخذ محله في عيادات الأعصاب والقلب والعيون ولتتطور الموجات من A-Mode محدودة الاستخدام الى B-Modeوالتي سعى العالم (دوغلاس هوري) كفني أشعة لاستغلالها في التشخيص لقدرتها على اختراق الأنسجة بهدف الدراسة التشريحية لأعضاء الجسم في جامعة (كولورادو) في دنغر بالتعاون مع زميله أخصائي الكلى (جوزيف هوملس) والذي بدوره تبنى الأبحاث الطبية على هذا الصعيد وقام بتوجيهها وبتعاون العلماء والمهندسين (بيلز و بوساكوني) كان أول جهاز ألتراساوند ثنائي الأبعاد يعمل بنظام B-Mode عام 1951. وتوالت الأجهزة التي تعمل في هذا النظام الا أنها جميعا كانت كبيرة الحجم وعلى المريض أن ينغمس كليا أو جزئيا في الماء في وضعية السكون لفترة زمنية طويلة الأمر الذي جعله غير عملي ويستحيل وجوده في عيادات الاختصاص.
وفي أواخر عام 1955 بدأ العالم بتطوير هذه الأجهزة لتصبح أكثر حساسية وأقل حجما وأكثر سهولة في طريقة الفحص حتى توصلوا للذراع المعدني المتحرك والذي يوضع على المكان المخصص للفحص.
ومع الثمانينات حدثت ثورة حقيقية في عالم الموجات فوق الصوتية وهي ما يسمى ( Real time scanner ) أي التصوير الحي ( ثنائي الأبعاد B-Mode ) والذي عن طريقه تم التعرف على حياة الجنين الفعلية, وحركاته, وتصرفاته, ونبضات القلب, والتنفس في رحم الأم. وكان أول جهاز فعال في هذا المجال عام 1985 في ألمانيا , وكانت الثمانينات هي ميدان التنافس للشركات المصنعة لأجهزة الالتراساوند لتقديم أدق الصور وأوضحها. وهكذا اتضحت معالم علم جديد في تخصص النسائية والتوليد ( تشخيص وسلامة الجنين) .
وبعد هذه المراحل العريقة في تاريخ الموجات فوق الصوتية وبعد ثورات العلم المتأججة على كل صعيد ومتطلبات العصر المتجددة غدت أجهزة الالتراساوند الثنائية الأبعاد غير مرضية- بالرغم من كل النجاح الذي حققته- وتوجه العلماء نحو البعد الثالث للحصول على صور حية مجسمة لما يحدث في جسم الانسان. وفي اليابان في جامعة طوكيو كان أول تقرير حول نظام الأبعاد الثلاثية ( الطول, العرض, العمق أو الارتفاع ) عام 1984 وأول محاولة ناجحة في الحصول على صورة جنين ثلاثية الأبعاد من صورة ثنائية الأبعاد عن طريق الكمبيوتر كانت عام 1986.
وبعد تطوير أجهزة التراساوند مستقلة ثلاثية الأبعاد كانت المشكلة في الفترة الزمنية التي يستغرقها التقاط كل مقطع حيث تتجاوز العشر دقائق وهو ما يستحيل معه العمل سواء للطبيب المعالج أو المريض وبالتالي يستحيل معه التسويق. ومع الجهود المكثفة والتطوير المستمر كان أول جهاز التراساوند ثلاثي الأبعاد يأخذ محلا تجاريا في الأسواق في عام 1989 في النمسا واستمر العالم وخصوصا في اليابان, والنمسا, وبريطانيا, وكندا وحتى الصين في دفع عجلة التطور هذه حتى بدأت الأبحاث حول رباعي الأبعاد في لندن عام 1996 عندما بزغت فكرة التصوير ثلاثي الأبعاد الحي وليكون للبعد الرابع وهو البعد الزمني, دوره في إعطاء صورة حقيقية حيّة بأسلوب عملي, وما كان ذلك ليكون لولا التطورات الهائلة في علم الكمبيوتر والسرعة الهائلة في إجراء العمليات الحاسوبية, ومن هنا كانت قصة البداية.

الالتراساوند هي تكنولوجيا تستخدم الامواج فوق الصوتية في التصوير الطبي وتستخدم امواج صوتية ذات ترددات اكبر 20 كيلو هرتز اي اكبر من الترددات التي تسمعها اذن الانسان وتعتمد فكرة عمل تلك الاجهزة الطبية على الامواج الفوق صوتية التي تسقط على الجسم وتنعكس عنه مثل ما يقوم الخفاش الذي يطير في الليل مستعينا بالامواج الفوق صوتية التي يحدثها لتسقط على الاجسام امامه وتنعكس عنها ويسمعها فيحدد مساره دون الحاجة الى حاسة الابصار لليستدل على الطريق ولذلك يستطيع الطيران في الليل. كما تستخدم الحيتان في البحر الامواج فوق الصوتية وتستخدمها الغواصات البحرية كجهاز رادار يعمل في اعماق المحيطات لكشف العواصات المعادية. وتعتمد فكرة استخدام الامواج فوق الصوتية على الاحداث التالية:

1. يرسل جهاز الامواج فوق الصوتية امواج صوتية بترددات صوتية عالية تتراوح بين 1 الى 5 ميجاهيرتز على صورة نبضات توجه الى جسم الانسان من خلال مجس خاص.
2. تخترق الامواج فوق الصوتية جسم الانسان لتصطدم بالفواصل والحدود الموجودة بين مكونات الجسم المختلفة مثل السوائل الموجودة بين طبقات الجلد الحد بين طبقة الجلد والعظم.
3. جزء من الأمواج فوق الصوتية تنعكس عن الحدود الفاصلة بين مكونات جسم الانسان وتعود الى المجس بينما تستمر باقي الامواج فوق الصوتية لتخترق طبقات اعمق في جسم الانسان لتصل إلى حدود فاصلة اخرى وتنعكس عنها وترتد إلى المجس.
4. يلتقط المجس الامواج فوق الصوتية المنعكسة تباعاً عن طبقات جسم الانسان التي اخترقها ويغذي فيها جهاز الامواج فوق الصوتية.
5. يقوم جهاز الامواج فوق الصوتية بحساب المسافة بين المجس وطبقة الجلد أو العضو الذي انعكست عنه الامواج الفوق صوتية مستخدما سرعة تلك الامواج في جسم الانسان والتي تبلغ 1540m/s ومستخدماً الزمن اللازم لعودة الموجات فوق الصوتية للمجس والتي تكون في في حدود الميكوثانية أي -6sec .
6. يظهر جهاز الامواج فوق الصوتية العلاقة بين المسافة وشدة الاشارة المنعكسة من جسم الانسان لتكون توزيع ثنائي الابعاد للمسافة والشدة والتي تعبر عن الصورة التي نشاهدها على جهاز الامواج فوق الصوتية والموضحة في الشكل التالي:

صورة امواج فوق صوتية لجنين في الاسبوع الثاني عشر ويظهر على اليمين الرأس ومن العنق وباقي الجسم الى اليسار.

في اي جلسة للتصوير باستخدام جهاز الامواج فوق الصوتية فإن ملايين النبضات الصوتية التي ترسل للجسم وتستقبل مرة أخرى لتحلل وتحسب المسافة القادمة منها تلك الامواج لتعطي الصورة التي نراها، كما ان تحريك المجس من مكان لأخر يمكن ان يعطي صور من منظور مختلف.

1. المجس .
2. وحدة التحكم المركزية .
3. وحدة التحكم بالنبضات .
4. شاشة العرض .
5. لوحة المفاتيح والماوس .
6. وحدة تخزين .
7. طابعة .

يعتبر المجس المستخدم في اجهزة الأمواج فوق الصوتية هو الجزء الرئيسي للجهاز. ووظيفة المجس تكمن في اصدار الامواج الصوتية ورصد الصدى المرتد عن انعكاسها. ويمكن تشبيهه بالفم الذي يتحدث والاذن التي تسمع لجهاز الامواج فوق الصوتية. وتعتمد فكرة عمل المجس على ظاهرة فيزيائية مهمة هي البيزوالكترك piezoelectric effect والتي تعني ظاهرة الضغط لتوليد الكهرباء والتي اكتشفها العالم بير وكيوري Pierre and Jacques Curie في عام 1880. وهي عبارة عن بلورة كوارتز عند تطبيق تيار كهربائي على بلورة الكوارتز قإن البلورة يتغير شكلها بسرعة في صورة اهتزازات سريعة جداً تصر امواج صوتية. والعكس يحدث عندما تصطدم امواج صوتية تؤدي البلورة للاهتزاز فإن تيار كهربي يتولد عنها. وبهذا يمكن استخدام نفس بلورة الكوارتز لاصدار الامواج فوق الصوتية واستقبالها، مع تزويد المجس بمادة تمتص الصوت حتى لا يحدث تشويش بين الصوت الصادر والصوت المنعكس. كذلك يزود المجس بعدسة صوتية acoustic lens لتركيز المواج الصوتية الصادرة من المجس.

جهاز امواج فوق صوتية ومعه عدة انواع من المجسات المستخدمة

يتم تصنيع هذه المجسات لتأخذ اشكالاً واحجاماً مختلفة لتستخدم حسب المنطقة المراد تصويرها بجهاز الامواج فوق الصوتية وكل مجس يصدر تردد مختلف من الامواج فوق الصوتية لتحدد العمق الذي يجب ان تخترقه هذه الامواج داخل جسم الانسان للحصول على الصورة المطلوبة وبدقة عالية. ويمكن ان تحتوي المجسات على أكثر من بلورة كوارتز وكل بلورة كوارتز يجب ان يكون لها دائرتها الكهربية المنفصلة، ويستخدم هذا النوع من المجسات المزودة باكثر من بلورة للتحكم في الفارق الزمني للامواج الصوتية الصادرة عن كل بلورة والذي يساعد على تحريك الامواج الفوق صوتية داخل الجسم.

شكل يوضح اجزاء جاهز التصوير باستخدام الامواج فوق الصوتية

وتمثل هذه الوحدة عقل الجهاز وهو عبارة عن جهاز كمبيوتر متصل بالمجس ويزوده بالطاقة الكهربية. وتقوم وحدة التحكم المركزية بارسال التيار الكهربي للمجس ليصدر الامواج الفوق صوتية وكذلك يستقبل النبضات الكهربية الناتجة من المجس عند استقبالها للامواج فوق الصوتية المرتدة عن اجزاء الجسم المراد تصويره. وتقوم وحدة المعالجة المركزية بكافة الحسابات التي تمكن من رسم العلاقة بين المسافة وشدة الاشعة المرتدة لتكوين الصورة على الشاشة.

وهي توفر الامكانية للطبيب الذي يشغل الجهاز أو الفني المختص بادخال قيمة التردد وزمن النبضات الصوتية الصادرة من المجس والتي يجب تحديدها مسبقا حسب العضو المراد تصويره. وكذلك تقوم هذه الوحدة بالتحكم بآلية المسح المستخدمة بواسطة الجهاز لاظهار الصورة.

وهي عبارة عن شاشة عرض عادية كالمستخدمة في الكمبيوتر والتي تظهر نتيجة الحسابات التي قامت بها وحدة المعالجة المركزية ويمكن ان تكون شاشة ابيض واسود او شاشة ملونة حسب نوع ومواصفات جهاز الامواج فوق الصوتية.

وهي الادوات التي يستخدمها الطبيب او الفني المختص لتشغيل برنامج الاجهاز واجراء عمليات حفظ الصورة على ملف وعمل بعض القياسات لحساب الابعاد مستعينا بالصورة الظاهرة على الشاشة.

وحدة التخزين تستخدم لحفظ الصور التي ظهرت على الاشاشة ووسائط التخزين هي نفسها المستخدمة في الكمبيوتر وتشمل الاقراص الصلبة hard disks أو الاقراص المرنة floppy disks أو الاقراص المدمجة CD او DVD . وتستخدم لعمل ارشيف طبي يحفظ لتتبع حالة المريض في مرات اخرى.

صور ثلاثية الابعاد باستخدام التقنيات الحديثة للتصوير بالامواج فوق الصوتية.

استخدام جهاز دبلر للامواج فوق الصوتية لقياس سرعة تدفق الدم خلال القلب