اجزای دستگاه اولتراسوند تشخیصی

دستگاه اولتراسوند تشخیصی از مجموعه‌ای از اجزا و ماژول‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری تشکیل شده است که با همکاری یکدیگر امکان تولید، ارسال، دریافت و پردازش امواج فراصوت را فراهم می‌کنند. این فصل به معرفی دقیق اجزای اصلی دستگاه و اجزای فرعی آن می‌پردازد.

+ اجزای اصلی و فرعی

1. پروب (مبدل فراصوت)

پروب ، اصلی‌ترین جزء دستگاه اولتراسوند است که وظیفه تولید و دریافت امواج صوتی با فرکانس بالا را دارد. این مبدل شامل آرایه‌ای از عناصر پیزوالکتریک است که هنگام تحریک الکتریکی امواج صوتی تولید می‌کنند و بازتاب آن‌ها را از بافت‌ها دریافت می‌نمایند. هر پروب معمولاً دارای 128 تا 256 عنصر است که به‌صورت کانال‌های مجزا با کابل‌های میکروکواکسیال به کنسول متصل می‌شوند. جنس بدنه پروب معمولاً از پلی‌اورتان مقاوم در برابر رطوبت است.کابل‌های پروب دارای ساختار چندلایه با شیلد مسی برای جلوگیری از نویز هستند و ممکن است تا 192 تا 256 سیم یا هسته جداگانه داشته باشند.

2. کابل‌ها و اتصالات (Probe Cable Assembly)

کابل اتصال میان پروب و کنسول باید انعطاف‌پذیر، سبک و مقاوم باشد. معمولاً از کابل‌های میکروکواکسیال با قطر 36 تا 46 AWG استفاده می‌شود تا تلفات سیگنال به حداقل برسد. کانکتورها باید قابلیت اتصال و جداشدن هزاران بار را بدون افت کیفیت داشته باشند و در برابر شوک مکانیکی و حرارتی مقاوم باشند.

3. کنسول(Main Console)

کنسول مرکز کنترل دستگاه است که شامل ماژول پردازشگر، مبدل آنالوگ به دیجیتال، واحد حافظه، منبع تغذیه، سیستم خنک‌کننده، و کنترل‌های رابط کاربر می‌باشد. این بخش داده‌های بازتابی را پردازش کرده و تصویر نهایی را تولید می‌کند. علاوه بر آن، شامل پورت‌های ارتباطی ، Ethernet، HDMI، صفحه‌کلید، تاچ‌پد، و در برخی مدل‌ها چاپگر داخلی است.

4. نمایشگر (Monitor) و رابط کاربر

نمایشگر وظیفه نمایش تصاویر زنده و نتایج پردازش را دارد. مانیتورهای مدرن از نوع LCD یا LED با رزولوشن بالا هستند. در مدل‌های جدید، نمایشگر لمسی با قابلیت کنترل پارامترها، تنظیم کنتراست، زوم، و ذخیره‌سازی تصاویر وجود دارد. رابط کاربر شامل کلیدهای سخت‌افزاری و نرم‌افزاری، دکمه‌های تنظیم فوکوس و گین، و منوهای سریع برای تنظیم پروتکل‌های اسکن است.

5. واحد تغذیه (Power Supply Unit)

منبع تغذیه وظیفه تأمین جریان الکتریکی پایدار برای کل سیستم را دارد. این واحد معمولاً دارای مدارهای فیلترکننده برای حذف نویز و حفاظت در برابر نوسانات برق است. طراحی آن باید با الزامات ایمنی IEC 60601 مطابقت داشته باشد.

6. تجهیزات جانبی (Accessories)

تجهیزات جانبی شامل ژل فراصوت، نگهدارنده پروب، گاید سوزن برای تزریق، کابل‌های برق، چرخ‌دارهای حمل، کیف محافظ، و فانتوم‌های کنترل کیفیت است. برای مدل‌های پرتابل، باتری‌های لیتیوم-یونی نیز بخشی از پکیج دستگاه هستند.

7. تعداد سیم‌ها و کانال‌ها

در پروب‌های آرایه خطی یا ماتریسی، هر عنصر با یک کانال اختصاصی در ارتباط است. تعداد سیم‌ها بر اساس نوع پروب متفاوت است: پروب خطی حدود 128 کانال ، پروب محدب (Convex) حدود 192کانال، پروب ماتریسی سه‌بعدی بین 256 تا 512 کانال را شامل می­شوند.
کابل‌ها معمولاً درون یک شیلد چندلایه با روکش پلی‌یورتان قرار دارند.

 شرکت‌های تولیدکننده
از شرکت‌های بزرگ فعال در تولید سیستم‌های اولتراسوند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

 GE Healthcare
 Philips
 Siemens Healthineers
 Canon Medical
Mindray
 Samsung Medison
 Hitachi / Aloka

دستگاه اولتراسوند تشخیصی مجموعه‌ای از فناوری‌های الکتریکی، مکانیکی و آکوستیکی پیشرفته است. از پروب‌های چندکاناله و کابل‌های فوق‌ظریف گرفته تا واحد پردازشگر و نمایشگرهای دیجیتال، همه اجزا برای تولید تصویر دقیق و ایمن از بدن انسان طراحی شده‌اند. رعایت استانداردهای بین‌المللی مانند IEC 60601 و IEC 62359 در طراحی، تولید و کنترل کیفیت این دستگاه‌ها ضروری است.

پروب دستگاه اولترسوند

بازار جهانی تصویربرداری پزشکی با استفاده از دستگاه اولتراسوند به سرعت در حال تغییر و تکامل بر اساس نیازهای آن است. ترندها و گرایشات نیز تحت‌الشعاع این موضوع، دستخوش تغییراتی بر مبنای آخرین فناوری‌ها هستند.

در ابتدای این بخش به بررسی انواع پروب و خواستگاه آن در علم پزشکی خواهیم پرداخت و سپس به برخی از جدیدترین تکنولوژی در این حوزه اشاره خواهیم کرد. بیان تکنولوژی‌ ترنسدیوسر داخلی پروب‌ها در شناخت ویژگی‌ها، سطح کیفیت و کاربرد آن‌ها موثر است. اطلاعاتی که در این بخش ارائه خواهد شد، می‌تواند به مهندسان، پزشکان، سونوگرافر، اپراتورهای دستگاه و سایر ذی‌نفعان در مسیر انتخاب و استفاده از دستگاه کمک کند.

پروب‌های سونوگرافی دستگاه‌هایی هستند که برای تولید و دریافت امواج صوتی با فرکانس بالا طراحی شده‌اند. این امواج به ساختارهای داخلی بدن برخورد کرده و به بازگشت‌هایی به نام “اکو” تبدیل می‌شوند.

پروب‌ها معمولاً از چندین بخش اصلی تشکیل شده‌اند: ترنسدیوسر (که امواج صوتی را ارسال و دریافت می‌کند)، کریستال‌های پیزوالکتریک (که مسئول تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به امواج صوتی و بالعکس هستند)، پوشش محافظ (که پروب را از آسیب‌های خارجی محافظت می‌کند)، و دسته (که به کاربر امکان نگهداری و استفاده راحت از پروب را می‌دهد). این اجزا با دقت طراحی شده‌اند تا وضوح بالای تصویربرداری و دقت در تشخیص بیماری‌ها را فراهم کنند.

پروب‌های اولتراسوند از چندین لایه مختلف تشکیل شده‌اند که هر کدام نقش خاصی در عملکرد پروب ایفا می‌کنند. این لایه‌ها عبارتند از:

+ لایه ترانسدیوسر (Transducer):

این لایه اصلی‌ترین قسمت پروب است که شامل کریستال‌های پیزوالکتریک است. این کریستال‌ها وظیفه تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به امواج صوتی با فرکانس بالا و بالعکس را دارند.

این لایه می‌تواند از چندین کریستال پیزوالکتریک تشکیل شده باشد که به‌صورت آرایه‌ای چیده شده‌اند.

+ لایه محافظ (Protection Layer):

این لایه معمولاً از پلاستیک یا ماده‌ای مقاوم ساخته می‌شود که از کریستال‌های پیزوالکتریک محافظت می‌کند و از آسیب‌های مکانیکی جلوگیری می‌کند.

همچنین، این لایه از ورود آلودگی و رطوبت به بخش داخلی پروب جلوگیری می‌کند.

+ لایه عایق (Insulation Layer):

این لایه به‌طور معمول از مواد عایق مانند پلاستیک یا سیلیکون ساخته شده است تا از اختلالات الکتریکی جلوگیری کند و سیگنال‌ها به‌درستی منتقل شوند.

+ لایه ژل یا پوشش هیدروفیل (Coupling Gel/Phantom Layer):

این لایه معمولاً به‌صورت ژل سونوگرافی به سطح پوست بیمار اعمال می‌شود. ژل کمک می‌کند تا امواج صوتی به‌درستی از پروب به بدن بیمار منتقل شوند و از افت سیگنال جلوگیری می‌کند.

لایه ژل باعث می‌شود که تماس فیزیکی بین پروب و بدن بیمار به‌صورت بهینه برقرار شود.

+ لایه الکتریکی (Electrical Layer):

این لایه شامل سیم‌ها و مدارهای الکتریکی است که برای ارسال و دریافت سیگنال‌های الکتریکی از دستگاه اولتراسوند به پروب استفاده می‌شود.

همچنین، این لایه به تنظیم جریان و ولتاژ ورودی و خروجی کمک می‌کند تا امواج صوتی با فرکانس دقیق و مناسب تولید شوند.

این لایه‌ها به‌طور هم‌زمان برای تولید، ارسال، و دریافت امواج صوتی کار می‌کنند و کیفیت تصاویر سونوگرافی را تضمین می‌کنند.

انواع پروب‌های سونوگرافی و کاربردهای بالینی

•  پروب آرایه‌ای فازی (Phased Array)

• فرکانس: 5-1 مگاهرتز
• کاربرد: مناسب برای تصویربرداری از قلب، مغز، شکم و عروق مغزی.
• ویژگی‌ها: این پروب‌ها دارای لنز آرایه مربع شکل و دسته‌ای کوچک هستند. پروب‌های قلبی برای اسکن قلب و تشخیص بیماری‌های قلبی کاربرد دارند.

•  پروب محدب ( convex )

• فرکانس: 5-2 مگاهرتز
• کاربرد: تصویربرداری از اندام‌های داخلی مانند رحم، تخمدان، کلیه، طحال و جنین.
• ویژگی‌ها: این پروب‌ها دارای سطح منحنی هستند که امکان تصویربرداری از عمق بیشتری را فراهم می‌کنند.

•  پروب محدب میکرو ( Microconvex )

• فرکانس: 8-5 مگاهرتز
• کاربرد: مناسب برای معاینات اطفال و تصویربرداری از بافت‌های کوچک.

ویژگی‌ها: این پروب‌ها طراحی جمع‌وجور دارند و برای معاینات در فضاهای محدود مناسب هستند.

•  پروب خطی ( Linear )

• فرکانس: 18-7 مگاهرتز
• کاربرد: تصویربرداری از عروق سطحی، عضلات، تاندون‌ها و مفاصل.
• ویژگی‌ها: این پروب‌ها دارای سطح صاف هستند که تصویربرداری با وضوح بالا را از ساختارهای سطحی امکان‌پذیر می‌سازند.

•   پروب داخل حفره‌ای ( Endocavity )

• فرکانس: 9-5 مگاهرتز.
• کاربرد: تصویربرداری از اندام‌های داخلی از طریق حفره‌های بدن مانند واژن، رکتوم و مری.
• ویژگی‌ها: این پروب‌ها برای دسترسی به بافت‌های داخلی طراحی شده‌اند و امکان تصویربرداری دقیق از نواحی عمیق را فراهم می‌کنند.

• پروب ترانس رکتال ( Transrectal )

• فرکانس: 10-5 مگاهرتز
• کاربرد: تصویربرداری از پروستات در مردان و بررسی اندام‌های لگنی در زنان.
• ویژگی‌ها: این پروب‌ها از طریق مقعد وارد بدن می‌شوند و امکان تصویربرداری دقیق از نواحی عمیق را فراهم می‌کنند.

• پروب داخل حفره مری ( Transesophageal Echocardiography )

• فرکانس: 7-3 مگاهرتز
• کاربرد: تصویربرداری قلب از مری (از تداخل ریه و دنده جلوگیری می کند)، مانیتورینگ قلب حین عمل، تشخیص بیماری دریچه ای، ترومبوز، نقایص مادرزادی
• ویژگی: آندوسکوپ انعطاف پذیر با مبدل اولتراسوند در نوک

• پروب سه بعدی و چهاربعدی
• فرکانس: 8-2 مگاهرتز
• کاربرد: تصویربرداری سه بعدی جنین مامایی (صورت، اندام ها، ناهنجاری ها)، اکوکاردیوگرافی سه بعدی قلب، ارزیابی ساختار زنان و زایمان، برنامه ریزی جراحی.
• ویژگی: شبیه محدب اما با احتساب مکانیکی و الکتریکی در دو یا سه بعد.

• پروب قلمی داپلر ( Pencil CW Doppler probe )

• فرکانس: 8-2 مگاهرتز
• ویژگی: کوچک، مشابه قلم
• کاربرد: اندازه گیری سرعت جریان خون، مطالعات دریچه قلب (تنگی، نارسایی) ، ارزیابی شریان محیطی، وریدی، بدون تصویربرداری – فقط داپلر

10- پروب داخل عروقی ( Intravascular probe )

• فرکانس: 40-10 مگاهرتز
• ویژگی: بسیار کوچک که روی کاتتر نصب شده است.
• کاربرد: داخل رگ های خونی در طول آنژیوگرافی، ارزیابی دیواره و پلاک عروق.

پروب‌های ویژه برای نوزادان، کودکان و بزرگسالان

• نوزادان: پروب‌های Microconvex با فرکانس‌های پایین‌تر برای تصویربرداری از بافت‌های نرم و عروق نوزادان مناسب هستند.
• کودکان: پروب‌های Convex و Linear با فرکانس‌های متوسط برای تصویربرداری از اندام‌های داخلی و عروق کودکان مناسب هستند.
• بزرگسالان: پروب‌های Convex و Linear با فرکانس‌های بالاتر برای تصویربرداری از اندام‌های داخلی و عروق بزرگسالان مناسب هستند.

ویژگی و قابلیت‌های کنسول دستگاه اولتراسوند

دستگاه اولتراسوند دارای رنج گسترده ای از قابلیت­‌ها و ویژگی­‌هاست. این ویژگی­‌ها عمدتا قابل تغییر از طریق کنسول آن هستند. یک صفحه نمایش لمسی یا کلیدها یا ترکیی از این دو این امکان را برای ما فراهم می­‌آورد که تصویر دلخواه را اخذ نماییم. در این بخش به تشریح این ویژگی­‌ها خواهیم پرداخت.

+ توان خروجی ( Power or Output Control ) :

این قابلیت به منظور تنظیم قدرت ولتاژ ارسالی به کریستال مبدل قرار داده شده است. این کلید قدرت ولتاژ الکتریکی اعمال شده به کریستال را کنترل می کند. افزایش ولتاژ منجر به افزایش شدت موج ارسالی و همچنین دریافتی از بافت خواهد شد که منجر به افزایش نرخ سیگنال به نویز خواهد شد. همچنین افزایش توان منجر به افزایش انرژی ارسالی به بیمار نیز خواهد شد از این رو بهتراست با کمترین میزان توان تصویربرداری را آغاز شود. استفاده از مبدل‌­های با فرکانس پایین­تر می­تواند به دریافت عمق نفوذ بیشتر در بافت­‌ها منجر شود.

+ عمق ( Depth ) :

دستگیره عمق به کاربر این امکان را می­دهد که عمق تصویر را افزایش یا کاهش دهد. حائز اهمیت است که همیشه منطقه مورد نظر را در مانیتور خود افزایش داده­‌شود و عمق میدان دید، کاهش داده­شود زیرا منجر به بزرگتر شدن اندام‌­های آناتومیک موردنظر خواهد شد.

+ گین ( Gain ) :

گین از طریق تقویت اکو سونوگرافی برگشتی، روشنایی کلی تصویر را با تقویت قدرت تصویر تنظیم می کند. افزایش یا کاهش گین از طریق چرخاندن این دستگیره به طور ساعتگرد یا پادساعتگرد حاصل می­شود.

+ جبران بهره زمانی ( Time Gain Compensation ) :

جبران افزایش زمان (TGC) امکان تنظیم روشنایی را در عمق خاصی از تصویر فراهم می‌کند. دکمه‌های بالایی، روشنایی را نزدیک‌تر به سطح مقطع مبدل افزایش یا کاهش می‌دهند و دکمه‌های پایینی، روشنایی را دورتر از سطح مقطع مبدل افزایش یا کاهش می‌دهند.

+ نقطه کانونی ( Focal Point ) :

مناطق کانونی همیشه باید در عمق مورد نظر در تصویر سونوگرافی قرار گیرند تا بهترین وضوح جانبی ممکن تضمین شود. می‌توان از چندین منطقه کانونی برای به حداکثر رساندن وضوح جانبی نسبت به عمق استفاده کرد؛ با این حال، این امر منجر به نرخ فریم پایین‌تری می‌شود و بنابراین هنگام اسکن ساختارهای متحرک مانند تصویربرداری زنان و زایمان یا به طور خاص قلب جنین، مطلوبیت کمتری دارد.

فریز ( Freeze ) :

دکمه‌ی ثابت کردن تصویر (فریز کردن) اجازه می‌دهد تا تصویر روی صفحه نمایش نگه داشته شود (فریز شود). در حین ثابت کردن تصویر، می‌توان اندازه‌گیری‌ها را انجام داد و قبل از ذخیره کردن تصویر، حاشیه‌نویسی‌های مربوط به اندام‌ها را روی آن اعمال کرد. علاوه بر این، گزینه‌ی «سینه‌لوپ» (اسکرول کردن) برای بازگشت به فریم‌های زمانی قبلی، گزینه‌ای است که در اکثر تجهیزات سونوگرافی موجود است. این یک عملکرد بسیار مهم در تصویربرداری سونوگرافی مامایی است، زیرا به ثبت فریم‌ها در حین حرکات جنین، مانند اندازه‌گیری استخوان‌های بلند، کمک می‌کند.

+ پد موس ( Trackball )  :

ترک‌بال یا پد ماوس برای جابجایی اشیاء روی مانیتور و برای برگشت به عقب در حالت توقف استفاده می‌شود. این پد چندمنظوره است و می‌تواند همراه با قرار دادن کولیس، حاشیه‌نویسی روی صفحه یا جابجایی کادرهای زوم یا داپلر به مکان مورد نظر استفاده شود.

+ زوم ( Res or Zoom ) :

برخی از تجهیزات سونوگرافی این عملکرد را دارند که امکان بزرگ نمایی نواحی تصویر سونوگرافی نمایش داده شده روی مانیتور را به صورت بلادرنگ فراهم می‌کند. از گوی به همراه دکمه Res/Zoom برای انتخاب ناحیه بزرگنمایی استفاده می‌شود.

+ دو بعدی ( 2D ) :

دکمه دوبعدی نشان‌دهنده حالت اسکن دوبعدی یا تصویربرداری سنتی حالت B است. B نشان‌دهنده روشنایی (حالت) است. در این حالت، تصویر در مقیاس خاکستری نمایش داده می‌شود و از پیکسل‌هایی تشکیل شده است که به صورت قطاعی یا خطی با سایه‌های مختلف خاکستری مرتب شده‌اند.

+ M-Mode:

این دکمه عملکرد M-Mode دستگاه سونوگرافی را فعال می‌کند. Mode –M مخفف حالت حرکت است و در این عملکرد، یک خط مکان‌نمای M-Mode در قسمت بالای تصویر و یک نمایشگر M-Mode در قسمت پایین تصویر ظاهر می‌شود. حالت M عمدتاً برای ثبت حرکات، مانند فعالیت قلبی جنین در اوایل بارداری، استفاده می‌شود.

+ Color-Flow:

دکمه جریان رنگ، جریان رنگ یا داپلر رنگی را فعال می‌کند که یک کادر روی تصویر دو بعدی بلادرنگ روی صفحه نمایش اضافه می‌کند. اپراتور می‌تواند اندازه و محل کادر رنگی را روی تصویر دو بعدی کنترل کند. جریان رنگ یا داپلر رنگی، جریان خون را در بافت تحت سونوگرافی تشخیص می‌دهد و بر اساس جهت جریان خون، رنگ را به جریان خون اختصاص می‌دهد. طبق قرارداد، رنگ قرمز برای جریان خون در جهت مبدل (بالا) و رنگ آبی برای خون در جهت دور از مبدل (پایین) اختصاص داده می‌شود. اپراتور همچنین می‌تواند مقیاس سرعت جریان خون (فرکانس تکرار پالس) و فیلتر یا آستانه جریان را کنترل کند. این پارامترها در ارزیابی بسترهای عروقی مختلف مهم هستند.

توجه داشته باشید که نمایش جریان رنگ از اصول فیزیکی جریان داپلر پیروی می‌کند و بنابراین اگر پرتو اولتراسوند عمود بر جهت جریان باشد، اطلاعات داپلر رنگی روی مانیتور نمایش داده نمی­شود. تجهیزات سونوگرافی جدیدتر سعی می‌کنند با ارائه روش‌های دیگری برای نمایش جریان خون مانند پاور داپلر که در درجه اول به دامنه موج متکی است، بر این محدودیت غلبه کنند که هر دو نسبتاً مستقل از زاویه هستند.

• Pulsed Wave Doppler: داپلر موج پالسی (داپلر پالسی) یا دکمه داپلر طیفی، نمایشگر داپلر پالسی را فعال می‌کند. در این نمایشگر، یک خط مکان‌نما با یک دروازه در نیمه بالایی صفحه نمایش داده می‌شود و یک نمایشگر داپلر پالسی یا طیفی در نیمه پایینی صفحه نمایش داده می‌شود. بازه داپلر موج پالسی می‌تواند توسط اپراتور جابجا شود و در داخل رگی که توسط داپلر رنگی تصویربرداری شده است، قرار گیرد. معمولاً این حالت زمانی فعال می‌شود که یک رگ برای اولین بار شناسایی یا مشکوک می‌شود و پس از آن داپلر جریان رنگی فعال می‌شود. داپلر پالسی امکان دستیابی به اطلاعات کمی خاص در مورد یک رگ مانند نسبت S/D شریان نافی را فراهم می‌کند. جریان به سمت مبدل در بالای خط پایه نمایش داده می‌شود و جریان دور از مبدل در زیر خط پایه نمایش داده می‌شود. اپراتور می‌تواند نمایش طیف داپلر را معکوس کند تا شکل موج‌ها در بالای خط نمایش داده شوند.

• Measurement: دکمه اندازه‌گیری می‌تواند به صورت Measure یا Cal (محاسبه) روی کنسول سونوگرافی نمایش داده شود. این عملکرد به اپراتور اجازه می‌دهد تا اشیاء مختلف را در قالب‌های مختلف روی صفحه نمایش اندازه‌گیری کند. وقتی دکمه اندازه‌گیری فشار داده می‌شود، یک کولیس روی صفحه نمایش ظاهر می‌شود. از گوی برای جابجایی کولیس به محل مورد نظر و تنظیم آن استفاده و پس از تنظیم، یک کولیس دوم ظاهر می‌شود که می‌تواند به روش مشابه تنظیم شود. نورموگرام‌های ذخیره شده در تجهیزات سونوگرافی امکان تعیین سن بارداری و تخمین وزن جنین را هنگام اندازه‌گیری پارامترهای مختلف بیومتریک جنین فراهم می‌کنند.