الموجات فوق الصوتية في الطب

تاريخ تطور اجهزة الموجات فوق الصوتية:

بدأت الدراسات الأولى للموجات الصوتية في عام 1826، عندما حاول الفيزيائي السويسري (دانيال كولادن) حساب سرعة الصوت باستخدام جرسه المائي في بحيرة جنيفا، في عام 1877، بالاعتماد على نتائج هذه التجربة استطاع العالم (اللورد رايلي) وضع نظرية الصوت والذي أوضح من خلالها الأساس المادي للموجات الصوتية وكيفية انتقالها وارتدادها. مع استمرار البحث تم التوصل الى تصميم رادار صوتي عام 1914 في الولايات المتحدة الأمريكية سمى (Sonar) يعتمد على الموجات فوق الصوتية، والذي اسُتُخدم لاغراض الملاحة كما اسُتُخدم في الحرب العالمية الاولى لتحديد مواقع المارنز الالماني. لم يتم استخدام الموجات فوق الصوتية للأغراض الطبية حتى أوائل الأربعينيات اذ استخدمت في التشخيص الطبي لأول مرة من قبل اختصاصي الاعصاب الطبيب النمساوي (كارل ثيودو)، ولكنه واجه بعض المعوقات وذلك بسبب امتصاص الجمجمة اغلب طاقة الموجات فوق الصوتية.

من خلال الجهود الدؤوبة التي بذلها الفيزيائيون والمهندسون الميكانيكيون والكهربائيون والبيولوجيون، بالتعاون مع الأطباء ومبرمجي الحاسوب والباحثين والدعم الحكومي، بدأت الموجات فوق الصوتية التشخيصية تستعمل في عيادات أمراض الأعصاب والقلب وطب العيون، بعد ذلك تم تطوير اجهزة الموجات فوق الصوتية التي تعمل بالموجاتA‑Mode  المحدودة الى اجهزة تعتمد على الموجات فوق الصوتية B-Mode التي تميزت عن سابقتها بقدرتها العالية في اختراق انسجة الجسم. استثمر اخصائي الأشعة (دوغلاس هوري) هذا النوع من الموجات بالتشخيص اذ استطاع انتاج صور تشريحية لأعضاء الجسم بالتعاون مع زميله العالم (جوزيف هوملس) اخصائي الكلى  والذي بدوره تولى هذا التوجة من البحث الطبي، وبالتعاون مع العلم (بوساكوني) والمهندس (بيلز) تم تقديم أول جهاز يعمل بالموجات فوق الصوتية B-Mode ثنائي الابعاد في عام 1951. تم تطويرالاجهزة التي تعمل بهذا النظام، لكنها كانت جميعها ضخمة وتتطلب من المريض أن يظل بلا حراك أثناء غمره جزئيًا أو كليًا في الماء لفترة طويلة من الوقت، مما يجعلها غير مجدية ومن المستحيل العمل بها في العيادات المتخصصة.

في نهاية عام 1955 تم تطوير ذراع معدني متحرك  يوضع على المنطقة المراد فحصها. ومنذ ذلك الحين، أصبحت هذه الأجهزة أكثر حساسية وأصغر وأسهل في الاستخدام في عملية الفحص.

بدأت ثورة حقيقية في تقنية الموجات فوق الصوتية في الثمانينيات من القرن الماضي مع تطوير ما يسمى بـ (Real time scanner) ، والمعروف أيضًا باسم التصوير الحي ثنائي الابعاد (B-Mode) ، والذي سمح بتحديد الحياة الفعلية للجنين، بما في ذلك حركاته، ضربات القلب والتنفس داخل رحم الأم. أنتجت ألمانيا أول جهاز فعال في هذا المجال في عام 1985، وشهدت الثمانينيات منافسة شديدة بين مصنعي أجهزة الموجات فوق الصوتية لتوفير صور أكثر دقة ووضوحًا. وهكذا، وضُعت اساسيات علم جديد سمي ( تشخيص وسلامة الجنين)  في مجال أمراض النساء والتوليد.

أصبحت أجهزة الموجات فوق الصوتية ثنائية الأبعاد غير مرضية بعد ثورات العلم المستمرة على كل المستويات، وكذلك متطلبات العصر المتجددة، مما دفع العلماء بالتفكير بادخال البعد الثالث للحصول على الصور. نشر الباحثين في جامعة طوكيو اول تقرير عن استخدام البعد الثالث لأنتاج صورة حية مجسمة (ثلاثية الأبعاد) للأعضاء الداخلية للأنسان في عام 1984 حيث تضمنت (الطول، العرض، الأرتفاع). وفي عام 1986 تم تحويل أول صورة ثنائية الأبعاد للجنين إلى صورة ثلاثية الأبعاد باستخدام الحاسوب.

المشكلة الرئيسية مع أجهزة الموجات فوق الصوتية ثلاثية الأبعاد هي الوقت الذي يستغرقه التقاط كل مقطع، والذي يتجاوز عشر دقائق، مما يجعل من المستحيل على الطبيب المعالج او المريض الاستفادة منه وبالتالي من المستحيل تسويقه. بعد الدراسة المكثفة والتطوير المستمر، تم إطلاق أول جهاز ثلاثي الأبعاد يعمل بالموجات فوق الصوتية في النمسا في عام 1989. واصل العالم وخاصة اليابان والنمسا والمملكة المتحدة وكندا و الصين دفع عجلة التطور الى ان اتجهت الدرسات الى انتاج اجهزة رباعية الابعاد عام 1996 في لندن باضافة الزمن كبعد رابع الذي يعطي صورة حقيقية باسلوب عملي سمي (التصوير الحي ثلاثي الأبعاد)،  لم يكن ليحصل هذا الأنجاز لولا التطورات الهائلة في اجهزة الحاسوب وسرعتها الهائلة بإجراء العمليات الحسابية.

كيف تعمل اجهزة الموجات فوق الصوتية؟

تتكون أجهزة الموجات فوق الصوتية من الأجزاء الرئيسية التالية:  المجس، وحدة التحكم بالنبضات، وحدة التحكم المركزية، شاشة العرض، لوحة المفاتيح، الماوس، وحدة التخزين، الطابعة.

يرسل جهاز الموجات فوق الصوتية الموجات على شكل نبضات عالية التردد بحدود (1 – 5) ميكاهيرتز عن طريق المجس الى الجزء المراد فحصه. تخترق هذه النبضات جسم الأنسان بأعماق مختلفة ثم تعود تباعاً الى المجس بعد انعكاسها عن الحدود الفاصلة بين مكونات الجسم مثل الحد الفاصل بين طبقة الجلد والعظم او السوائل بين طبقات الجلد. بعد حساب المسافة التي قطعتها الموجات داخل جسم الأنسان من قبل الجهاز بلإعتماد على السرعة الثابتة للموجات في الجسم والتي تبلغ (1540) متر/ثانية، والزمن المستغرق والذي يكون عادةً في حدود (6 – 10) ثانية. يستطيع الجهاز تكوين صورة على الشاشة من خلال العلاقة ثنائية الأبعاد بين شدة الأشارة المنعكسة والمسافة المقطوعة. في جلسة التصوير الواحدة هناك ملايين من النبضات ترسل الى جسم الأنسان، من الممكن الحصول على صور مختلفة عن طريق تحريك المجس من موقع الى آخر. يمكن توضيح الموجات فوق الصوتية بالشكل الآتي :

صورة متحركة لجنين ثنائية الأبعاد                                                                              صورة لجنين ثنائية الأبعاد

أجهزة التصوير ثنائية الأبعاد هي ما ناقشناه حتى الآن، يوجد هناك نوعان آخران من اجهزة الموجات فوق الصوتية تستعمل نفس التقنيات السابقة هما:

• اجهزة التصوير ثلاثية الابعاد:

تكمن الفكرة في هذا النوع من التصوير باخذ عدة صور للجزء المراد فحصة من خلال تحريك المجس حوله، ثم يتم جمع هذه الصور باستخدام الحاسوب لأنتاج صورة مجسمة ثلاثية الأبعاد.

صورة بالموجات فوق الصوتية ثلاثية الأبعاد لطفل بالشهر السادس

• أجهزة دوبلر للموجات فوق الصوتية:

يعتمد هذا النوع من الأجهزة على ظاهرة دوبلر كما هو واضح من تسميتها، حيث يمكن قياس سرعة سريان الدم المتدفق من القلب الى الشرايين والأوعية الدموية من خلال حساب فرق التردد بين الموجات الساقطة والمنعكسة اذ ان الموجات الساقطة يتغيير ترددها عند انعكاسها عن اجزاء متحركة.

دوبلر للأوعية الدموية

تنقسم الموجات فوق الصوتية الطبية إلى فئتين متميزتين هما:

• الموجات فوق الصوتية التشخيصية:

هي تقنية تشخيصية غير جراحية تستخدم لتصوير داخل الجسم. تنتج مجسات الموجات فوق الصوتية، التي تسمى محولات الطاقة، موجات لها ترددات أعلى من 20 كيلو هرتز، ولكن معظم محولات الطاقة المستخدمة حاليًا تعمل بترددات أعلى بكثير (في نطاق ميغا هرتز). توضع  مجسات الموجات فوق الصوتية التشخيصية على الجلد. ومع ذلك، لتحسين جودة الصورة، يمكن وضع المجسات داخل الجسم عبر الجهاز الهضمي أو المهبل أو الأوعية الدموية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام الموجات فوق الصوتية أحيانًا أثناء الجراحة عن طريق وضع مسبار معقم في المنطقة التي يتم إجراء العملية فيها. يمكن تقسيم الموجات فوق الصوتية التشخيصية أيضًا إلى الموجات فوق الصوتية التشريحية والوظيفية. تنتج الموجات فوق الصوتية التشريحية صورًا للأعضاء الداخلية أو الهياكل الأخرى. تجمع الموجات فوق الصوتية الوظيفية معلومات مثل حركة وسرعة الدم ونعومة أو صلابة الأنسجة، وغيرها من الخصائص الفيزيائية، بواسطة جمع كلا النوعين يمكن انشاء “خرائط معلومات”. تساعد الأطباء على تصور التغييرات أو الاختلافات في الوظيفة داخل الهيكل أو العضو.

• الموجات فوق الصوتية العلاجية:

لايعمل هذا النوع من الموجات على انتاج الصورة والغرض منه هو التفاعل مع الأنسجة في الجسم بحيث يتم تعديلها أو تدميرها. من بين التعديلات الممكنة: تحريك الأنسجة أو دفعها، تسخين الأنسجة، إذابة جلطات الدم، توصيل الأدوية إلى أماكن معينة في الجسم. أصبحت  عمليات التدمير والاستئصال ممكنة من خلال استخدام حزم عالية الكثافة يمكنها تدمير الأنسجة المريضة أو غير الطبيعية مثل الأورام. ميزة استخدام العلاج بالموجات فوق الصوتية هي أنها في معظم الحالات غير جراحية لا حاجة لعمل شقوق في الجلد اي دون ترك جروح أو ندبات.

تستخدم الموجات فوق الصوتية في تشخيص العديد من الأمراض نذكر منها:

• تشخيص نشاط اوخمول الغدة الدرقية.
• الكشف عن أورام الكبد من خلال تحديد الحجم والشكل.
• تحديد اسباب السكتة الدماغية من خلال تشخيص امراض انسداد الشرايين، حيث يوفر الجهاز وسيلة سريعة للتشخيص في مثل هذه الحالات مقارنة بالطرق الأخرى.
• تشخيص حالات وجود مشاكل الظهر او العمود الفقري من خلال تصوير النخاع الشوكي.
• تستخدم في متابعة الحمل من خلال تصوير الأجنة للتاكد من سلامة الجنين وكذلك تشخيص بعض الحالات الغير طبيعية كالتشوهات البدنية بالجنين.
• تشخيص أورام البروستات عند الرجال.
• تشخيص اورام تليف الرحم والمبايض وتحديد وجود الأكياس الرحمية لدى النساء.
• كما تستخدم في توجية الابرة للمكان الصحيح في حال الحاجة لأخذ خزعة.

تشمل استخدامات الموجات فوق الصوتية العلاجية ما يلي:

• تفتيت حصوات الكلى الكبيرة وحصى المرارة.
• استئصال (إزالة) الأورام الليفية الرحمية، أو النمو غير السرطاني في الرحم.
• تنظيف الأسنان.
• إزالة ضبابية العين.
• العلاج الطبيعي (تدفئة الأوتار والعضلات والأنسجة الأخرى) لحالات مثل التهاب الأوتار.
• علاج الأورام والتكيسات.
• تحفيز نمو العظام لشفاء الكسور.
• فتح الأنسجة بالعمليات الجراحية وكذلك وقف تدفق الدم.
• المساعدة في توجيه توصيل الأدوية إلى أنسجة معينة.

الفوائد مقابل المخاطر:

معظم فحوصات الموجات فوق الصوتية غير مريحة ولكنها غير مؤلمة لأنها لاتتطلب التدخل الجراحي (الإبر أو الحقن). الموجات فوق الصوتية واسعة الأستعمال وأقل تكلفة بالمقارنة مع طرق التصوير الأخرى اضافة لكونها آمنة جداً ولا تعرض المرضى لأي إشعاع مؤين مثل طرق التصوير الأخرى. يمكن للانسجة الرخوة ان تظهر بوضوح بفحوصات الموجات فوق الصوتية التي لايظهرها فحص الأشعة السينية بشكل جيد، كما تعد فحوصات الموجات فوق الصوتية الطريقة الأفضل للمتابعة والتشخيص اثناء الحمل. ان ميزة التصوير في الوقت الحقيقي التي توفرها الموجات فوق الصوتية جعلها اداة مفيدة للتقنيات الطبية طفيفة التوغل كشفط السوائل وخزعة الأبر.

على الرغم من انه لم يتم تسجيل اي حالة مرضية عند الفحص بالموجات فوق الصوتية حتى الآن، ومع ذلك، فمن المستحسن استخدامه فقط عند الضرورة لتجنب تعرض أجزاء من جسم الإنسان للطاقة العالية الناتجة عن الموجات فوق الصوتية والتي يتم امتصاصها بسهولة بواسطة الماء في الأنسجة الحية، مما يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة الموضعية في المنطقة المعرضة للموجات فوق الصوتية، كما أشارت الدراسات الى ان النساء اللواتي يستخدمن الموجات فوق الصوتية بالعلاج الطبيعي هن الأكثر عرضة للولادة المبكرة او الأجهاض. وتجدر الإشارة إلى أن بعض الدراسات تشير أن التعرض المطول للموجات فوق الصوتية قد يكون له تأثيرات بيولوجية على المستوى الخلوي داخل جسم الإنسان.

حدود التصوير  بالموجات فوق الصوتية:

الغاز اوالهواء تعتبر اوساط غير جيدة لنقل الموجات فوق الصوتية لذلك فأنها تقنية غير مثالية لتصوير الأجزاء المملؤة بالهواء كلأمعاء او العضو المحجوب بالأمعاء وكذلك الرئتان لانهما مملوئتان بالهواء ولكنها جيدة للكشف عن السوائل بالرئتان وحولها. يعد التصوير بالموجات فوق الصوتية للمرضى الكبار أمرًا صعبًا لأن هناك كميات اكبر من الأنسجة وبالتالي سوف تقطع الموجات مسافات اكبر داخل الجسم الأمر الذي يؤدي الى اضعاف طاقة الموجات المنعكسة الى المجس.

يمكن استعمالها لرؤية الجزء الخارجي من العظم وبالتالي يمكنها تصوير الأنسجة حول العظم اضافة الى تحديد الكسور لكن لايمكنها تصوير داخل العظم لأنها تواجة صعوبة في اختراقه (باستثناء الأطفال لأن لديهم غضاريف في عظامهم أكثر من الأطفال الأكبر سنًا أو البالغين). غالبًا ما يستخدم الأطباء طرق تصوير أخرى مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، لتصور الهياكل الداخلية لعظام أو مفاصل معينة.

مستقبل الموجات فوق الصوتية:

يرتبط تطور اجهزة الموجات فوق الصوتية بتطور اجهزة الحاسوب من حيث السرعة وقدرة تخزين المعلومات. جاري العمل على تطوير التصوير ثلاثي الأبعاد وإنتاج أجهزة صغيرة باستخدام الموجات فوق الصوتية. في تطور غريب ومثير للاهتمام، يعمل العلماء على تحويل الصور الملتقطة لمريض اثناء الفحص بواسطة جهاز الموجات فوق الصوتية الى صورة خيالية مجسمة وإدخالها في خوذة يرتديها الطبيب على رأسه تمكن الطبيب من فحص الأجزاء الداخلية للجسم.