سونوتراپی و استفاده از امواج اولتراسوند

در این مطلب قصد داریم شما را در ابتدا به صورت کامل با امواج اولتراسوند ( ماوراء صوت ) ، روش های تولید این گونه امواج ، کاربردهای درمانی (سونوتراپی ) و … اشنا کنیم و سپس به توصیفی جامع در مورد تکنیکی که از این امواج به منظور درمان برخی بیماری ها بهره می برد ، می پردازیم :

فرانسیس گالتون برای نخستین بار در سال ۱۸۷۶ میلادی موفق به کشف امواج فراصوت شد . به این صورت که در حین جنگ جهانی اول ، انگلستان به منظور ممانعت از غرق شدن ناباوارنه کشتی هایش توسط المانی ها در اتلانتیک شمالی ، دستگاهی به عنوان کشف کننده زیردریایی ها به وسیله امواج صوتی که ” صوت یاب ” یا Sonar نامیده میشد ، اختراع کرد .

این دستگاه امواج فراصوت تولید می‌کرد که در پید اکردن مسیر کشتیها استفاده می‌شد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها بطور گسترده‌ای در صنعت این کشور برای آشکار سازی شکافها در فلزات و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت صوت‌یاب به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید.

سیر تحولی در رشد
نخستین دستگاه تولید کننده امواج فراصوت در پزشکی، در سال ۱۹۳۷ میلادی توسط دوسیک اختراع شد و روی مغز انسان امتحان شد. اگر چه فراصوت در ابتدا فقط برای مشخص کردن خط وسط مغز بود، اکنون بصورت یک روش تشخیصی و درمانی مهم در آمده و پیشرفت روز به روز انواع نسلهای دستگاه‌های تولید فراصوت، تحولات عظیمی در تشخیص و درمان در علم پزشکی بوجود آورده‌است.

تعریف امواج اولتراسوند (فراصوت):

امواج فراصوت به شکلی از انرژی از امواج مکانیکی گفته می‌شود که فرکانس آنها بالاتر از حد شنوایی انسان باشد. گوش انسان قادر است امواج بین ۲۰ هرتز تا ۲۰۰۰۰ هرتز را بشنود. هر موج (شنوایی یا فراصوت) یک آشفتگی مکانیکی در یک محیط گاز ، مایع و یا جامد است که به بیرون از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت می‌کند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی ، ماده منتقل نمی‌شود. اگر ارتعاش ذرات در جهت عمود بر انتشار صوت باشد، موج عرضی است که بیشتر در جامدات رخ می‌دهد و در صورتی که ارتعاش در راستای انتشار امواج باشد، موج طولی است. انتشار در بافتهای بدن به صورت امواج طولی است. از این رو در پزشکی با اینگونه امواج سر و کار داریم.

پرتو های ماوراء صوت در قسمت های سونوگرافی و سونو تراپی کاربرد فراوان دارند . دستگاهها ی سنگ شکن کلیه ودر صنعت در رشته های NDT و آزمایش های غیر مخرب کاربرد دارد.

در سونوگرافی فرکانس بین ۱ تا ۱۵ مگا هرتز می باشد و در سونو تراپی بین ۶۷۰ کیلو هرتز و ۳ مگا هرتز می باشد . فر کانس در سونو گرافی رنج بالاتری نسبت به سونوتراپی دارد . سرعت سیر صوت در بافت های نرم بدن بسیار به هم نزدیک است . در دستگاه های سنگ شکن کلیه هم از ultra sound استفاده می شود . اطراف سنگ مایع ادرار وجود دارد . با سونوگرافی یا فلوروسکوپی به مکان دقیق سنگ و اندازه و جنس آن پی می بریم . موج را در یک امتداد کانونی می کنیم . توسط عدسی کانونی می کنیم و کانون را روی سنگ می اندازیم موج را به صورت پالسی می فرستیم . اطراف سنگ مایع به جریان می افتد و می تواند آن را خورد کند . اگر سنگ خیلی متراکم باشد ماوراء صوت زیاد به بافت آسیب می رساند . اندازه سنگ هم خیلی مهم است اگر خیلی بزرگ باشد بدن توانایی دفع آن را ندارد .

سونوتراپی به درد درمان بیماری های عصبی و آرتروز می خورد .
امواج ماوراء صوت آثار مکانیکی بر روی بدن می گذارند . در ترمیم شکستگی ها تاثیر گذارند . آثار مکانیکی به سه فرم می باشد :
۱- حفره سازی
۲- ماساژ های ضعیف
۳- جریان در مایعات
صوت موجی طولی است و راستای ارتعاش و انتشار بر هم عمود می باشد . ماوراء صوت به محیط دو نوع فشار وارد می کنند یا فشار منفی یا فشار مثبت .آنجایی که دامنه زیاد است شکم ایجاد می شود و در قسمتی که دامنه کمتر است گره بوجود می آید .

اگر ماوراء صوت را به عضله بتابانیم فیبر عضلانی را تحت stress ,strain قرار می دهد . و در حد فیبر عضله را ماساژ می دهد . ا گر ماوراء صوت را با فرکانس بالا ب

ه سمت فیبر بفرستیم پاره می شود . و اگر زمان خیلی باشد آسیب رسان است . فرکانس و شدت و زمان اگر بالا باشد و سطح مورد تابش زیاد باشد فیبر دچار پارگی و خو نریزی می شود . فرکانس را در سونو تراپی کم می کنند زیرا در غیر اینصورت بیشتر در سطح جذب می شود . در سونوتراپی نسبت به سونو گرافی شدت زیاد است .

حفره سازی : وقتی موج به مایع فرستاده می شود مولکول ها نزدیک هم قرار می گیرند و فشار مثبت ایجاد می شود و بلافاصله فشار منفی بو جود می آید و مولکول ها از هم دور می شوند و منطقه ای مثل خلاء بوجود می آید و در آن منطقه اگر ماده حاوی گاز محلول باشد گاز آزاد می شود . حفره سازی در خون خطرناک است چون باعث می شود گاز محلول در خون آزاد شود . در برخی دستگاهها برای اینکه سمپل یا نمونه درست سنجیده شود باید از گاز تخلیه شود .
در سونو گرافی ارسال و دریافت موج برایمان مطرح است ولی در سونوتراپی فقط با ارسال سرو کار داریم . امروزه از ماوراء صوت در دستگاهها از خاصیت پیزو الکتریک استفاده می شود . پیزو الکتریک را در برخی کریستا ل ههای مصنوعی و طبیعی می توان ایجاد کرد . کریستال های طبیعی را می توان به نحوه ی خاصی برش داد به طوری که محور های نوری و الکتریکی کریستال بر هم عمود باشد . کریستال کوارتز یک محور نوری دارد و چند محور الکتریکی که این نوع کریستال از نوع کریستال طبیعی به حساب می آید . پیزو الکتریک بر دو نوع است مستقیم و معکوس .
مدت زمانی که پس از اعمال ولتاژ و قطع ولتاژ کریستال هم چنان به نوسان خود ادامه می دهد تا متوقف شود را زمان RDT می گویند . در دستگاههای سونوگرافی قدیمی ما دو تا ترنس دیوسر داشتیم یکی موج را ارسال و دیگری دریافت می کرد و موج به صورت پیوسته فرستاده می شد و به صورت پیوسته دریافت می شد . در دستگاههای جدید یک ترنس دیوسر بیشتر نداریم که هم فرستنده می باشد و هم گیرنده می باشد و به صورت پالسی موج را می فرستد . RDT پدیده ناخوشایند است و در مدت زمانی که قرار است گیرنده باشد فرستنده است و اطلاعات زیادی را از دست می دهیم .
در سونو تراپی و سونوگرافی دکمه ای برای فرکانس موج خروجی نداریم و باید پروب یا مبدل را تعویض کنیم . یک دستگاه ماورا ء صوت با پروب های مختلفی به بازار عرضه می شود . پروب ها را برای تغییر فرکانس بکار می بریم .

روشهای تولید امواج فراصوت:

الف) روش پیزو الکتریسیته
تاثیر متقابل فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته می‌گویند. بطور مثال بلورهایی وجود دارند که در اثر فشار مکانیکی ، نیروی الکتریکی تولید می‌کنند و برعکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همین راستا باعث فشردگی و انبساط آنها می‌شود که ادامه دادن به این فشردگی و انبساط باعث نوسان و تولید امواج می‌شود. مواد (بلورهای) دارای این ویژگی را مواد پیزو الکتریک می‌گویند. اثر پیزو الکتریسیته فقط در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند، وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین ماده‌ای بود که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفاده می‌شد که اکنون هم استفاده می‌شود.
اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خاصیت پیزو الکتریسیته باشند، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستالهایی استفاده می‌شود که سرامیکی بوده و بطور مصنوعی تهیه می‌شوند. از نمونه این نوع کریستالها ، مخلوطی از زیرکونیت و تیتانیت سرب (Lead zirconat & Lead titanat) است که به شدت دارای خاصیت پیزوالکتریسیته می‌باشند. به این مواد که واسطه‌ای برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس هستند، مبدل یا تراسدیوسر (transuscer) می‌گویند. یک ترانسدیوسر اولتراسونیک بکار می‌رود که علامت الکتریکی را به انرژی فراصوت تبدیل کند که به داخل بافت بدن نفوذ و انرژی فراصوت انعکاس یافته را به علامت الکتریکی تبدیل کند.

ب) روش مگنتو استریکسیون
این خاصیت در مواد فرومغناطیس (مواد دارای دو قطبی‌های مغناطیسی کوچک بطور خود به خود با دو قطبی‌های مجاور خود همخط شوند) تحت تاثیر میدان مغناطیسی بوجود می‌آید. مواد مزبور در این میدانها تغییر طول می‌دهند و بسته به فرکانس (شمارش زنشهای کامل موج در یک ثانیه) جریان متناوب به نوسان در می‌آیند و می‌توانند امواج فراصوت تولید کنند. این مواد در پزشکی کاربرد ندارند و شدت امواج تولید شده به این روش کم است و بیشتر کاربرد آزمایشگاهی دارد.

کاربرد تشخیصی (سونوگرافی): 

بیماریهای زنان و زایمان (Gynocology) مانند بررسی قلب جنین ، اندازه ‌گیری قطر سر (سن جنین) ، بررسی جایگاه اتصال جفت و محل ناف ، تومورهای پستان.
بیماریهای مغز و اعصاب (Neurology) مانند بررسی تومور مغزی ، خونریزی مغزی به صورت اکوگرام مغزی یا اکوانسفالوگرافی.
بیماریهای چشم (ophthalmalogy) مانند تشخیص اجسام خارجی در درون چشم ، تومور عصبی ، خونریزی شبکیه ، اندازه ‌گیری قطر چشم ، فاصله عدسی از شبکیه.
بیماریهای کبدی (Hepatic) مانند بررسی کیست و آبسه‌ کبدی.
بیماری‌های قلبی (cardology) مانند بررسی اکوکار دیوگرافی.
دندانپزشکی مانند اندازه‌گیری ضخامت بافت نرم در حفره‌های دهانی.
*این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمی‌کنند. بنابراین برای زنان و کودکان بی‌خطر می‌باشند.

کاربرد درمانی (سونوتراپی) :

کاربرد گرمایی
با جذب امواج فراصوت بوسیله بدن بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل می‌شود. گرمای موضعی حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودی را تسریع می‌کند. قابلیت کشسانی کلاژن (پروتئینی ارتجاعی) را افزایش می‌دهد. کشش در scars (اسکار=جوشگاههای زخم) افزایش می‌دهد و باعث بهبود آنها می‌شود. اگر اسکار به بافتهای زیرین خود چسبیده باشد، باعث آزاد شدن آنها می‌شود. گرمای حاصل از امواج فراصوت با گرمای حاصل از گرمایش متفاوت است.
میکروماساژ مکانیکی
به هنگام فشردگی و انبساط محیط ، امواج طولی فراصوتی روی بافت اثر می‌گذارند و باعث جابجایی آب میان بافتی و در نتیجه باعث کاهش ورم (تجمع آب میان بافتی در اثر ضربه به یک محل) می‌شوند.
درمان آسیب تازه و ورم :آسیب تازه معمولا با ورم همراه است. فراصوت در بسیاری از موارد برای از بین بردن مواد دفعی در اثر ضربه و کاهش خطر چسبندگی بافتها بهم بکار می‌رود.
درمان ورم کهنه یا مزمن :فراصوت چسبندگیهایی که میان ساختمانهای مجاور ممکن است ایجاد شود را می‌شکند.

خطرات اولتراسوند: 

۱)سوختگی:
اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی می‌شود و باید امواج حرکت داده شوند.
۲)پارگی کروموزومی
استفاده دراز مدت از امواج اولتراسوند با شدت خیلی بالا پارگی در رشته دی ان ای (DNA) را نشان می‌دهد.
۳)ایجاد حفره یا کاویتاسیون
یکی از عوامل کاهش انرژی امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهای بدن ایجاد حفره یا کاویتاسیون می‌باشد. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظه‌ای حبابهای گاز غیر قابل دیدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهای امواج اولتراسوند در داخل محلولها می‌تواند بر روی بافتها تغییرات بیولوژیکی ایجاد کند (پارگی در دیواره سلولها و از هم گسستن مولکولهای بزرگ)

سونوتراپی

سونوتراپی عبارت است از درمان دردها و سایر مشکلات با استفاده از امواج اولتراسوند. استفاده از امواج اولتراسوند در درمان پیش از استفاده آن در تشخیص مطرح بوده است. همانطور که می‌دانید امواج اولتراسوند امواجی مکانیکی می‌باشند و لذا این ارتعاشات مکانیکی درون بافت باعث تولید حرارت می‌شوند و این حرارت است که می‌تواند تسکین دهنده باشد. با استفاده از روش سونوتراپی ما می‌توانیم بافتهای نیمه عمقی نظیر مفاصل، تاندون‌ها، لیگامان‌ها، عضلات و … را درمان کنیم. همچنین این روش در ترمیم شکستگی استخوان نیز کاربرد زیادی دارد. از مواردی که سونوتراپی به صورت درمان اختصاصی به کار می‌رود می‌توان به درمان فلج عضلات صورت اشاره کرد. در این بیماری به دلیل اینکه استفاده از روشهای معمول فیزیوتراپی باعث تبخیر آب چشم می‌شوند می‌توان به راحتی با استفاده از سونوتراپی حرارت را فقط در عمق مورد نظر ایجاد نمود.

قبل از اینکه وارد بحثهای فیزیکی سونوتراپی شویم باید اشاره کنیم که آخرین گزارشAIOM (American Institute of Medicine) که کمیته بین المللی روشهای اولتراسوند است اعلام می‌دارد که شدتهای تشخیصی و درمانی که در حال حاضر استفاده می‌شوند هیچ گونه اثر قابل توجه بر بیماران ندارند. البته شاید در آینده آثاری مشخص شوند ولی در هر صورت استفاده محتاطانه از این امواج در حال حاضر بی‌خطر است.

پارامترهای تابش‌دهی:

همانطور که در بالا نیز اشاره کردیم امواج اولتراسوند امواجی مکانیکی هستند. معمول‌ترین راه برای سنجش امواج اولتراسوند تراکم فضایی توان صوتی یا شدت صوت است ولی به دلیل اینکه امواج اولتراسوند در دو حالت یا مد(mode) پیوسته و پالس استفاده می‌شوند لذا شدت صوتی در هر یک از این دو مد متفاوت خواهد بود. در مد پیوسته امواج به صورت دائم در زمان معین منتشر می‌شوند و انتشار این امواج در بافت تغییرات کمی ایجاد می‌کند. در این مد شدت متوسط فضایی بیم و بیشترین شدت بیم(Max peak) مورد توجه هستند.

مد پیوسته در سیستمهای سونوکیت ( برای بررسی ضربان قلب جنین)، داپلر پیوسته، سونوتراپی و دانسیتومتری استخوان استفاده می‌شود.

در مد پالسی، در یک محدوده زمانی موج داریم و سپس امواج قطع می‌شوند. در این مد دو پارامترPD(Pulse Duration) وPRF (Pulse Reapeatation Frequency) مهم هستند.

در این حالت با گذشت زمان شکل موج فرق می‌کند لذا متوسط زمانی باریکه مهم است.

سیستم‌های پالس را به صورت دیگر، زمان روشن و خاموش نیز معرفی می‌کنند. اغلب دامنه موجهای ما یکسان نیست بلکه یک فرکانس مرکزی دارند. در سیستم‌های پالس عمق نفوذ امواج بهPRF بستگی دارد. هر چه این فرکانس بیشتر باشد عمق کمتری قابل بررسی است. فرکانس مورد استفاده در درمان حدوداً ۱۰۰۰۰ است که عمق حدودcm 5/7 را درمان می‌کند.

در سیستم پالس پارامتر دیگری تحت عنوانDuty Factor داریم که عبارتست اززمانon بودن سیستم به زمان off بودن آن . در سیستمهای فعلی سونوتراپیDuty Factor در حدود ۳-۱۰- ۲-۱۰ متغیر است یعنی مثلاً ۱/۰% روشن است و در بقه زمان خاموش می‌باشد.Duty Factor در برآورد آثار بیولوژیک مهم می‌باشد.

همانطور که گفتیم موج صوتی در بافت فشار صوتی ایجاد می‌کند یعنی باعث تولید انقباضات و انبساطات مختلف در بافت می‌شود. لذا دو فشار تعریف می‌شود: فشارMax فشاری است که باعث انقباض می‌شود و فشارMin فشاری است که انبساط ایجاد می‌کند. فشار انقباض می‌تواند باعث ایجاد پدیده حفره‌سازی شود. لذا دو فشار داریم:

۱-     قله فشار انقباض (Pc) کهMax فشار انقباض است.

۲-     قله فشار انبساط (PR) کهMin فشار است و با علامت منفی مشخص می‌شود.

این دو فشار را در هر دو حد پیوسته و پالس داریم.

شدت:

شدت عبارتست از تراکم فضایی توان. در سیستمهای تشخیصی توان بینmW 10-1 است. در کاربردهای درمانی شدت در مد پالس۳W/cm2 و در مد پیوستهW/cm2 2-0 می‌باشد. در سیستمهای متوسط زمانی توان تعریف می‌شود که با رابطه توان حداکثرDuty Factor مشخص می‌شود.

ترانسدیوسر: ترانسدیوسرها در سونوتراپی مشابه کاربردهای تشخیصی از کریستال پیزوالکتریک تشکیل شده‌اند. فرکانس‌های مورد استفاده در درمان در حدودMHZ 3-2 می‌باشد. کریستال پیزوالکتریک در دو راستا ارتعاش می‌نماید: ۱- ارتعاش در راستای جلو و عقب کهrebound نام دارد. ۲- ارتعاش در کناره کریستال کهSWR (Side Wall Radiation) نامیده می‌شود.

درروش تشخیصی فقط از امواجrebound استفاده می‌شود ولی در درمان تفاوتی در استفاده از دو موج نیست. امواجSWR از نقطه نظر آثار بیولوژیکی اهمیت می‌یابند. به دلیل اینکه در هنگام درمان با امواج اولتراسوند، ترانسدیوسر، دست اپراتور و عضو مورد درمان بیمار در آب قرار دارند تا محیطی مناسب برای انتشار و انتقال امواج از ترانسدیوسر به عضو مورد درمان فراهم شود امواجSWR در دست اپراتور جذب می‌شود و با گذشت زمان می‌توانند آثار بیولوژیک ایجاد نمایند. به همین دلیل توصیه شده است تا شدت این امواج کمتر از۱۰mW/cm2 باشد. در ترانسدیوسرهای درمانی، کریستال پیزوالکتریک به صورت یکپارچه است و با استفاده از یک کولیماتور که از جذب ماده‌ای جاذب امواج اولتراسوند نظیر پلیمرهای کربن است، میدان را به اندازه دلخواه درمی‌آورند.

چند تعریف در سونوتراپی:

ضریب جذب:

بیانگر میزان جذب امواج اولتراسوند در بافت است. حالت ایده‌آل این است که امواج به صورت کامل جذب شوند ولی به هر حال به دلیل پدیده‌هایی همچون اسکترینگ، انعکاس و … این حالت رخ نمی‌دهد. همچنین بسته به نوع بافت ضرایب جذب در آنها متفاوت است. در ضمن میزان فرکانس نیز ضریب جذب را تغییر می‌دهد. به عنوان مثال در فرکانسی برابر۱MHZ ضریب جذب برای استخوانneper/cm 22/3، پوستn/cm 62/0، آبn/cm 0006/0 و خونn/cm 028/0 می‌باشد.

در واقع با افزایش چگالی بافت اتلاف انرژی صوتی در آن بیشتر می‌شود که این پدیده در درمان مفید است.

عمق نیم جذب،HVD (Half Value Depth) :

 عمقی است که شدت صوت در آن به نیمی از مقدار اولیه کاهش می‌یابد و مقدار آن از رابطه HVD=0.693/a    بدست می‌آید که در این رابطهa ضریب جذب می‌باشد.

عمق ویژه:

عمقی است که شدت موج به ۱۵% مقدار اولیه برسد و از رابطهP=2.3/a   بدست می‌آید و در این رابطهa ضریب جذب می‌باشد.

محیط تماسی(Contact Medium):

محیط تماسی محیط بینTransducer و بافت می‌باشد. محیط تماسی باید محیطی باشد که امپدانس آکوستیکی آن مابین امپدانس آکوستیکی ترانسدیوسر و بافت باشد تا اجازه عبور امواج را بدهد. یکی از مواد مناسب برای این منظور آب است. البته باید از آب بدون گاز (جوشیده) و استریل استفاده کرد. البته امروزه ژلهای گوناگون مخصوص این کار نیز ساخته شده‌اند. در هر صورت هر ماده‌ای که به عنوان یک محیط تماس به کار می‌رود باید دارای خصوصیاتی باشد. از جمله اینکه استریل باشد، توسط پوست جذب نشود، ایجاد رنگ نکند، حاوی میکروارگانیسم‌ها نباشد، اثرات سردی، گرمی و شیمیایی نداشته باشد، بدون گاز باشد و اینکه میزان عبور صورت از درون آن زیاد باشد.

به طور کلی امواج اولتراسوند را به دو صورت به بافت منتقل می‌کنند:

۱-     تماس مستقیم که در آن از ژل بین بافت و تراسدیوسر استفاده می‌شود.

۲-     درمان غیر مستقیم که معمولاً درمان زیر آب است و معمولاً برای سطوح با اشکال نامشخص نظیر انگشتان پا از آن استفاده می‌شود.

همچنین حرکتHead درمانی نیز به دو صورت است:

۱-     روش دینامیک که در آن پروب را مرتب حرکت می‌دهیم. این روش این مزیت را دارد که باعث اتساع نقطه‌ای شریانها نمی‌شود. بافت در نقطه‌ای میدان تابش قرار می‌دهیم که شدت بسیار بالاست وHead درمانی را با حرکاتی آرام به صورت دایره یا انتقالی حرکت می‌دهیم.

۲-     روش استاتیک که در این روش پروب ساکن است و امواج را با شدت بالا به ناحیه مورد نظر می‌تاباند.