אולטרסאונד במהירות האור

קבוצת מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) פיתחו מכשיר אולטרסאונד מבוסס-לייזר, שמאפשר לבצע בדיקות ללא מגע של המכשיר עם העור. על פי המאמר בכתב העת Light: Science & Applications מקבוצת Nature, הפיתוח החדש חוסך את הצורך בג'ל שיתווך בין המכשיר לעור של הנבדקים, גורם לכך שאיכות התמונה לא תלויה במפעיל, ולכן בדיקות חוזרות יניבו תמונות דומות.

מכשיר האולטרסאונד החדש אמור להיות מסוגל לבצע מדידה ממרחק של כמטר מהנבדק, לחדור לעומק של כחמישה סנטימטר, ולהניב תמונה באיכות דומה למכשיר אולטרסאונד סטנדרטי. הוא יוכל לסייע במקרים שבהם מדידה באמצעות מגע עלולה להיות בעייתית, למשל בבדיקות שנעשות לתינוקות או לאנשים שסובלים מכוויות.

תמונה של גלים

אולטרסאונד הוא מכשיר שמתבסס על שידור גלי קול אל גוף הנבדק ומדידת גלי הקול המוחזרים כדי ליצור תמונה. מדובר בכלי יעיל ובטיחותי, שמספק מידע עשיר על רקמות רכות, כגון שרירים וגידים, ומאפשר לעקוב אחרי פעילותם התקינה של הלב וכלי הדם, אחר התפתחות עוברית ועוד.

כשגל קול מתקדם בתווך מסוים ומגיע למקום שהצפיפות בו משתנה, חלק מהגל מוחזר וחלק מתקדם הלאה. מדידות של עוצמת גל הקול המוחזר לעומת עוצמת הגל המקורי ושל הפרש הזמנים בין הגל המשודר לגל המוחזר, מאפשרות להרכיב תמונה שמשקפת את צפיפות הרקמות שהגלים פגשו בדרכם, ואת העומק שבו הן נמצאות.

המכשיר הסטנדרטי משתמש להפקת גלי הקול בגביש פיאזואלקטרי – גביש שמשנה את צורתו כשמופעל עליו מתח חשמלי. כשמשנים את המתח החשמלי הפועל על הגביש בתדירות של יותר מ-20 אלף פעמים בשנייה, הגביש רוטט ויוצר גלי קול שאדם אינו יכול לשמוע. הגלים עוברים אל האובייקט הנבדק – למשל גוף האדם. נהוג למרוח בין המכשיר לעור ג'ל שצפיפותו דומה לצפיפות הרקמות בגוף, במטרה לצמצם סטיות מדידה שנגרמות מהמעבר של גלי הקול באוויר בין הגביש לגוף.

את גלי הקול המוחזרים מהגוף מודדים באמצעות התכונה ההפוכה של הגבישים הפיאזואלקטריים – כשמשנים את צורתם הם מייצרים מתח חשמלי. גלי הקול החוזרים מגוף הנבדק מרטיטים את הגביש וכך נוצר מתח חשמלי משתנה, שממנו אפשר לפענח את מאפייניו של הגל המוחזר. חסרונה של השיטה הוא בכך שהיא רגישה לאופן שבו האדם שמפעיל את המכשיר מבצע את המדידה; כמה לחץ הוא מפעיל על העור, הזווית בין המכשיר לגוף בכל רגע ועוד. כל אלה משפיעים על דיוק המדידה ועל היכולת לערוך בדיקות חוזרות שיניבו תוצאות זהות.

נקודת הלייזר על זרוע האדם, וההדמיה במכשיר אולטרסאונד רגל (מימין) והחדש (משמאל) | מקור: צוות המחקר, MIT

פעימות אור במקום קול

מכשיר האולטרסאונד החדש משתמש בשני לייזרים: הראשון שולח גלי קול לגוף הנבדק, והשני מודד את הגלים החוזרים. כדי לייצר את גלי הקול, המכשיר שולח פעימות חוזרות ונשנות של קרני לייזר בתחום הגלים התת-אדומים. הפעימות מחממות את מולקולות המים בעור וברקמות הסמוכות, כאשר בכל פעימה המים מתחממים במהירות ושוב מתקררים כשהפעימה מסתיימת. בכל פעם שהמים מתחממים, הרקמות מתרחבות, וכשהם מתקררים הן מתכווצות. רצף החימום והקירור המהירים גורם להרטטת האזור שבו הלייזר פוגע, כלומר לתנודות. כך נוצרים גלי הקול בגוף הנבדק.

כדי למדוד את גלי הקול החוזרים משתמשים בלייזר שני שפועל בצורה דומה ללייזר המשטרתי שמודד את מהירות הנסיעה של מכוניות באמצעות אפקט דופלר. קרן לייזר בעלת תדר מסוים תוחזר בתדר שונה במקצת אם הגוף שהיא פוגעת בו נמצא בתנועה. מהתדר הזה אפשר להסיק את מהירות הגוף הנע – במקרה הזה תנודות העור הזעירות שיצרו הגלים המוחזרים של הלייזר הראשון.

מאחר שהלייזר הראשון פועל בפעימות ואילו השני פועל ברציפות אפשר להבחין בין התנודות בעור שיצר הלייזר הראשון עצמו לבין אלה שנובעות מההחזרים של גלי הקול. החוקרים ציינו כי שני מכשירי הלייזר הפועלים בהתקן האולטרסאונד החדש בטוחים לגמרי לשימוש מבחינת תדירות הקרינה ועוצמתה, ואינם מזיקים לעיניים או לעור.

החוקרים ניסו תחילה את המכשיר על ג'לטין שלתוכו הוכנסו עצמים ממתכת, כדי להדמות רקמה עם אחוז מים גבוה, בדומה לגוף האדם. בהמשך הם התקדמו למדידות ברקמות של חזיר ולבסוף בבני אדם. התמונות שהושגו דומות באיכותן לאלה שמפיקים מכשירי אולטרסאונד רגילים המבוססים על מגע ישיר. החוקרים שואפים ליצור מערכת שתתאים למדידות אולטרסאונד ביתיות, ולכן שוקדים כעת על הקטנת ההתקן שלהם ועל שיפור רמת ההפרדה שלו.