انواع ترانسدیوسر و عملکرد آنها

انواع ترانسدیوسر و عملکرد آنها:

مهندسی ابزار دقیق ( Instrumentation engineering) را می توان در واقع به عنوان علمی میان رشته ای که با اندازه گیری کمیت های مختلف فیزیکی همچون دما ، فلو ، فشار و … سرو کار دارد ، معرفی نمود . این گرایش به طراحی و همچنین کنترل سیستم های صنعتی در غالب وسیعی می پردازد . ترنسمیترها ، سنسورها ، ترانسدیوسرها و به طور کلی دستگاه های مختلف اندازه گیری و کنترل کننده ها نقش بسیار مهمی را در این گرایش ایفا می کنند .

ترانسدیوسر:

یک ترانسدیوسر (مبدل)بنا به تعریف ، وسیله ای است که سیگنال الکتریکی حاصله از سنسور را تبدیل به یک سیگنال الکتریکی استاندارد(ولتاژ ۵-۰،جریان ۲۰-۴ میلی امپر) می کند، یعنی اگر یک سنسور فشار همراه یک ترانسدیوسر باشد ، سنسور، پارامتر فشار را اندازه می گیرد و مقدار تعیین شده را به ترانسدیوسر تحویل می دهد ، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنال الکتریکی قابل درک برای کنترلر و صد البته قابل ارسال توسط سیم های فلزی ، تبدیل می کند .بنابراین همواره خروجی یک ترانسدیوسر ، سیگنال الکتریکی است که در سمت دیگر خط می تواند مشخصه ها و پارامترهای الکتریکی نظیر ولتاژ ، جریان و فرکانس را تغییر دهد ، البته به این نکته باید توجه داشت که سنسور انتخاب شده باید از نوع سنسورهای مبدل پارامترهای فیزیکی به الکتریکی باشد و بتواند مثلأ دمای اندازه گیری شده را به یک سیگنال بسیار ضعیف تبدیل کند که در مرحله بعدی وارد ترانسدیوسر شده و سپس به مدارهای الکترونیکی تحویل داده خواهد شد . ترانسدیوسر یکی از تجهیزات اصلی در سیستم های اتوماسیون برق صنعتی می باشد که بوسیله آن می توان از پارامترهای شبکه برق نمونه برداری کرد (شبکه تک فاز و شبکه سه فاز) و آنها را تبدیل به سیگنال های استاندارد نمود و در ورودی دستگاه های اندازه گیری مانند نمایشگرها و کنترلرها و سیستم های PLC و اسکادا SCADA از آنها استفاده نمود.

ساختمان ترانسدیوسر ( یا مبدل ):

در کارهای تشخیصی همیشه پرتوهای باریکی از امواج فراصوتی نیاز می باشند. چنین پرتوهایی به وسیله یک صفحه پیزوالکتریک ،که با دو الکترود صفحه ای موازی برانگیخته می شوند ،تولیدمی گردند.
یک بلور را می توان با به کارگیری یک ولتاژ با بسامد بسیار بالا انگیخته نموده و مجبور به نوسان کرد . در بلور، بسامدی که بیشترین شدت را تولید می کند بسامد تشدید گفته می شود. تشدید یک ویژگی موج است که در آن شدت موج در حقیقت به علت هم آمیزی موجهای همانند افزایش می یابد. می توان ثابت کرد که تشدید هنگامی رخ میدهد که ضخامت بلور برابر نیمی از طول موج و یا مضرب فردی از طول باشد.
اگر دو رویه بلور ترانسدیوسر را بگونه دو رویه نوسان کننده در نظر بگیریم ،چنانچه فاصله این دو رویه باندازه موج ایجاد شده باشد، موج ایجاد شده به وسیله رویه پشتی، موج ایجاد شده بوسیله رویه جلوئی را تقویت می کند . این تقویت که بیشترین شدت موج را در بلور بوجود می آورد همان رزونانس طبیعی یا تشدید است.
بلور در ترانسدیوسرها می تواند هم به گونه فرستنده امواج فراصوت و هم گیرنده اموا ج کار کند. در حالت گیرنده تپ های ایجاد شده بوسیله بازتابش را دریافت می نماید. این بازتابش است که در ساختن نگاره سونوگرافی بکار می رود. حالت دلخواه هنگامی است که وقتی یک تپ کوتاه مدت موج فراصوت از بلور گسیل شد، بلور در زمانی بسیار بزرگتر پس از آن اماده دریافت بازتابش باشد، در اینجاست که بهترین نگاره برای کارهای بالینی ساخته می شود .
اگر بخواهیم الکتریسیته را به بلور وارد کنیم و یا الکتریسیته تولید شده را از آن بیرون ببریم ، باید بوسیله یک رسانا این کار انجام شود. دو طرف بلور دارای پوشش فلزی است که بسیار نازک بوده و برای بردن ولتاژ از آن انجام می شود .

الکترودها بوسیله یک پیوند دهنده کابلی به ترانسدیوسر وصل است.بخش نوسانی ترانسدیوسر بلور است . بلور انرژی فراصوتی را برای انتقال به محیط تولید می کند. بزرگی این بلورها می تواند به رویه دلخواه به هر اندازه ای اختیار شود، ولی هر چه نازکتر باشد با بسامد بیشتری نوسان می کند.
بخش پشتی بلور با یک ماده میراکننده یا خفه کننده و برای جلوگیری از تابش انرژی بلور در رویه پشتی پر شده است . مواد میراکننده باعث بهتر شدن نگاره فراصوتی می شوند . این مواد دارای امپدانس اکوستیک بسیار زیادی هستند . ترانسدیوسرها دارای یک بخش جلویی یا رویه جلویی هستند که با پوست بیمار تماس می یابد.این رویه لایه جفت کننده یک چهارم موج نام دارد. امپدانس ویژه این لایه میان امپدانس کریستال و امپدانس بافت نرم جا دارد تا انرژی موج به آسانی به بدن بیمارگذر کند و بازتاب اندکی داشته باشد.

همانطور که گفته شد بسامد ترانسدیوسر به ویژگی های مکانیکی بلور وابسته است. بلوری که به وسیله پالس الکتریکی انگیخته می شود تغییر بعد داده و امواج فراصوتی را تولید می کند.
بهترین عامل تعیین کننده بسامد ترانسدیوسر ، ضخامت بلور می باشد . بگونه ای تئوریک هماهنگی که یک بلور به وسیله یک تپ الکتریکی انگیخته می شود ،تنها با یک بسامد آغاز به نوسان می کند ولی کامل نبودن بلور تاثیر مواد میراکننده و … باعث می شوند که بلور بیش از یک بسامد تابش کند. برای نمونه هنگامی که بلور دارای بسامد مگا هرتز است در حقیقت بسامدهای کمتر و بیشتر از مگاهرتزرا ( که بسامد اصلی یا طبیعی آن است ) نیز تولید می کند.
به گستره بسامدهای تولید شده از ترانسدیوسر پهنای باند گفته می شود. ترانسدیوسری که بسامدهای گوناگون در دو طرف بسامد اصلی تولید می کند دارای پهنای باند بزرگی است .
پهنای باند بسامدهای ترانسدیوسر در کیفیت نگاره ای که به وجود می آورد اثر دارد. هر چه این پهنای باند کوچکتر باشد کیفیت نگاره بهتر است ولی ترانسدیوسرها بهر حال دارای پهنای باند چشمگیری هستند.

میدان فراصوتی و گونه های ترانسدیوسر:

ترانسدیوسر فراصوتی، بگونه یک چشمه فراصوت کارکرده و امواج فراصوتی را گسیل می کند .این امواج در آغاز بگونه ای موازی راهی را می پیماید و سپس واگرا شده و از یکدیگر دور میشوند. بنابراین دو ناحیه بوجود می آید: یکی میدان نزدیک و دیگری میدان دور . در میدان نزدیک امواج فراصوتی پرتوهایی یکنواخت و موازی هستند و پهنه برش پرتو یا نیم رخ بانداره رویه ترانسدیوسر است .
ناحیه گذری مرز میان میدان نزدیک و میدان دور است. باید گوشزد کرد که در میدان نزدیک بیشترین تعداد انترفرانس – بنابراین نا یکنواختی شدت فراصوت – دیده می شود در حالیکه در ناحیه میدان دور سطوح جبهه های موج موازی هستند . در این ناحیه انترفرانس کمتر و یکنواختی شدت انرژی فراصوتی بیشتر است .

بعلت اینکه میدان نزدیک باریکترین مرزهای موازی را برای پرتو فراصوتی دارد در این ناحیه بهترین جداسازی کناری یا عمود بر محور بدست می آید. پس قطر پرتوها روی جداسازی(رزولوشن) کناری اثر می گذارد: یعنی هر چه قطر ترانسدیوسر کوچکتر باشد توان جداسازی کناری بیشتر است، در ضمن ژرفایی که از آن نگاره می گیریم کوچکتر می شود. این برابری اگر کاهش یابد بسامد افزایش یافته و شدت پرتوی که باید به یک ژرفای خاصی برسد کاهش می یابد. برای رسیدن به هدف افزایش ،می توانیم بدون تغییر بسامد و یا قطر ترانسدیوسر قطر پرتوها را کاهش دهیم.در این کار از کانونی کردن کمک گرفته می شود.

ترانسدیوسرهای کانونی:

نه تنها کاهش اندازه بلور در یک بسامد معین باعث ایجاد جبهه های موج تخت در دامنه گسترده ای از ژرفای ماده نمی شود بلکه برعکس هر چه رویه بلور کوچکتر باشد واگرایی پرتوها بیشتر می شود.
از سوی دیگر بسامد ترانسدیوسر روی واگرایی پرتوها اثر می گذارد. هر چه بسامد افزایش یابد واگرایی پرتو فراصوتی کمتر می شود و با این افزایش بسامد ،ژرفای نفوذ پرتوهای فراصوتی نیز کوچکتر می شود. از این رو ترانسدیوسرهایی را که با توان جداکنندگی بزرگ و سطح بلور کوچک و بسامد بالا برای معاینه ساختمانهای سطحی بدن ساخته اند نمی توان برای ساختمانهای عمقی به کار برد.
برای معاینه ساختمانهای عمقی بدن همگرا کردن پرتوهای فراصوت بکار گرفته می شود. کار همگرا کردن پرتوهای فراصوتی در ژرفای بدن با بکارگیری ترانسدیوسرهای کانونی انجام می گردد. ترانسدیوسرهای کانونی با به کارگیری عدسیهای صوتی یا به وسیله شکل دادن بلور ساخته می شوند.
اثر کانونی کردن پرتوهای فراصوتی ( چه به صورت تراش بلور یا به کار بردن عدسیهای صوتی ) جابه جا کردن ناحیه گذری میدان دور و میدان نزدیک و به سوی رویه بلور است. این کار باعث باریک شدن پهنای دسته پرتو می گردد. نقطه کانونی را در این ترانسدیوسرها می توان با شعاع انحنا ء عدسی مشخص کرد. نقطه کانونی در باریکترین بخش دسته پرتو جا دارد و به فاصله آن تا سطح کریستال فاصله کانونی گفته می شود. همچنین باریکترین ناحیه دو طرف نقطه کانونی را ناحیه کانونی(focal zone)می گویند.

چون بافتهای گوناگون بدن آدمی در ژرفای گوناگونی از پوست جا گرفته اند،برای کاربردهای تشخیص پزشکی و همچنین برای رساندن انرژی دلخواه به ژرفای دلخواه ،بهتر است عدسیهای کانونی مختلف را که دسته پرتو فراصوت را اندک اندک باریک می کنند بکار گرفت.

سازندگان این دستگاه بیشتر شماره هایی مانند ( ۸ – ۴ ) ویا ( ۱۱ – ۷ ) را برای نمایش بزرگی ناحیه کانونی بکار می برند که کوچکترین شماره ،فاصله آغاز کانونی شدن است. روشن است که با تغییر قطر دسته پرتو با وسایل مکانیکی ( عدسی ) یا الکتریکی شدت فراصوت درسطح های گوناگون برش دسته پرتو تغییر می کند. این تغییر باعث ایجاد بیشترین شدت در ناحیه کانونی شده و خود این کار باعث می شود که بازتابهای بدست آمده از برخورد ناحیه کانونی به مرز مشترک بافتها، بزرگترین دامنه را نسبت به بازتابهای دیگر داشته باشد.

کانونی کردن الکترونیکی:

در این روش با بکارگیری زمان تاخیر، می توان امواج را بگونه ای همزمان از شماری از کریستالها گسیل داشت. در این کار، امواج گرد هم آمده، سپس بازتابهای دریافتی بوسیله دستگاهی بنام تقویت کننده با هم یکی شده و بازتابهای دریافتی را بوجود می‌ آورند. برتری این دستگاه این است که می توان جایگاه نقطه ای که امواج روی آن کانونی می شود را تغییر داد و امواج را روی نقطه ای دیگر کانونی کرد.

چگونگی ساخت نگاره فراصوتی:

امواج فراصوتی با گذاشتن ترانسدیوسر در تماس با بدن و با به کارگیری موادی که هوا را میان ترانسدیوسر و بدن از میان بر می دارد ( مانند آب ،روغن و یا ژل ) به بدن فرستاده می شوند. همین تراسدیوسر که تپ را تولید میکند ( فرستنده ) بگونه گیرنده یا آشکارساز نیز کار می کند. در اثر برخورد بازتابها به ترانسدیوسر و به علت نوسان آن ولتاژی تولید می شود که پس از تقویت این ولتاژ برای ساخت نگاره بکار می رود. تشخیص با فراصوت بر پایه بازتابی که امواج در بدن و بر روی مرز میان دو بافت متفاوت پیدا می کنند استوار است. این بازتاب هنگامی بوجود می آید که اختلاف در امپدانس صوتی دو محیط وجود داشته باشد. اگر چه امواج پژواک با دامنه بسیار کوچک ( نزدیک به ۶/۰ درصد انرژی تابیده به مرز میان کلیه و چربی بازتاب می یابد ) می توانند بوسیله گیرنده های حساس نمایان شوند ولی، هنگامیکه موجی نتواند بازتاب پیدا کنداز مرزهای سر راه گذر نموده و ممکن است در بخشهای ژرفتر به وسیله مرز میانی دیگری که تفاوت امپدانس را دارا باشد بازتاب یابد. گذر و نفوذ امواج فراصوت به علت کاهش بافتی، در بافتهای نرم محدود می شود.

همه انرژی امواج فراصوت در برخورد با مرز میان گاز یا هوا بکلی بازتاب می یابد و این خود سد بزرگی برای گذراندن فراصوت از راه گاز یا هر عضوی است که دارای گاز باشد.
وجود لایه هوا میان ترانسدیوسر و سطح پوست را که می تواند سد بزرگی برای گذر انرژی انرژی فراصوت باشد با واسطه هایی مانند روغن زیتون ، پارافین ، آب ویا گلیسیرین از میان می برند. از سوی دیگر اندازه جذب و سرعت فراصوت در استخوان بسیار بیشتر ازبافت نرم است. در نتیجه سونوگرافی از راه استخوان با مشکل روبروست و نتایج رضایت بخش به دست نمی آید. روش به کارگیری بازتابهای بدست آمده از تابش پرتوهای فراصوت متفاوت است.

در اینجا برخی از آنها را بررسی می کنیم.

الف ) روشهای یک موج یا روش بازتاب تپ
تک موجی که از ترانسدیوسر گسیل میشود پس از برخورد به مرز میان دو محیط I و II که دارای اختلاف امپدانس صوتی هستند، بازتاب می یابد. زمانی که موج از ترانسدیوسر گسیل شده و پس از بازتاب به ترانسدیوسر می رسد یا به زبان دیگر ترانسدیوسر بازتاب را دریافت می کند زمان دیرکرد نام دارد.
اندازه چنین زمانی بستگی به سرعت صوت در محیط و طول راه پیموده شده به وسیله موج دارد. بر پایه این همبستگی که میان زمان و فاصله وجود دارد، روشی برای اندازه گیری به نام دستگاه اندازه گیری برد، وجود دارد که به صورت گسترده ای در تشخیص پزشکی امواج فراصوتی بکار می رود.

اسکن دامنه:
A-Scan از واژه Amplitude scan گرفته شده است که ساده ترین گونه نمایش فراصوت می باشد و با دامنه امواج بازگشتی سروکار دارد.
می توان از یک موج فراصوت برای اندازه گیری ژرفای مرز مشترکی که بتواند بازتاب ایجاد کند سود برد. اگر فرایندی که گفته شد با سرعت کافی و بیش از بیست بار در ثانیه تکرار شوند، برای بیننده احساس بینایی یکنواخت ایجاد می گردد. این روش را میتوان برای بررسی بسیاری از مرز مشترکهایی که سرراه امواج فراصوت هستند بکار گرفت. اسکن دامنه تنها فاصله دو مرز بازتابنده و اندازه بازتابش را به ما نشان میدهد.
بخشهای پایه ای یک دستگاه فراصوتی بازتاب تپ در کارهای تشخیصی که تپ های فراصوتی را گسیل کرده و سپس آنها را دریافت می کند از این قرارند:

۱- تپ ساز:
تپ ساز، تپ های مورد نیاز را تولید می کند. در این بخش بسامد تکرار تپ تولید می شود. PRF باعث ایجاد منظم و پی درپی تپ ها می گردد، سپس تپ های مورد نیاز از دید کوتاهی زمان و همچنین دامنه بوجود می آیند. ولتاژی که این دستگاه برای برانگیختن بلور ترانسدیوسر – بصورت تپ – ایجاد می کند میان ۲۰۰ تا ۶۰۰ ولت و با آهنگ PRF فرستاده می شود. سیگنالهای یاد شده پس از رسیدن به بلور ترانسدیوسر آن را انگیخته کرده و امواج فراصوتی تابش می شوند.

۲- گیرنده:
گیرنده دستگاه ،همان بلور فرستنده است؛ یعنی بلور هم به صورت فرستنده و هم به صورت گیرنده کار می کند. در فاصله زمانی فرستادن یک تپ تا فرستادن تپ بعدی، که زمانی طولانی است ۳۰msec) (15- موج بازتابشی به کریستال یا گیرنده می رسد. این تپ مکانیکی بااثر پیزوالکتریک به یک تپ الکتریکی تبدیل می شود. تپ های الکتریکی گسیلی دامنه بسیار بزرگی دارند و به بخش دیگری که محدود کننده دامنه می باشد فرستاده می شوند. زیرا تپ های شدید می توانند باعث از میان رفتن بخشهای الکتریکی دستگاه شود.
تپهای بازتابشی گستره دامنه ای از ۱mv تا یک ولت دارند. پس دستگاه دارای یک گستره دینامیکی است. گستره دینامیکی در هر دستگاه نسبت کوچکترین تپ قابل آشکارسازی دریافتی به بزرگترین تپ دریافتی است که در هم ریختن تپ ها یا سیگنالها را به همراه ندارد و با dBاندازه گرفته می شود. DR = 120 db یعنی گستره ای دینامیکی است که تغییر دامنه یک تا یک میلیون وجود دارد و دستگاه می تواند دریافت کند بدون اینکه در هم ریختگی بوجود آید. پس حساسیت بسیار بزرگی برای تپ های بسیار کوچک دارد.

۳- تقویت:
بازتابش هایی که از مرزهای مشترک دور می آیند کوچکتر از آنهایی هستند که از فاصله های نزدیک بازتاب می شوند. بهترین حالت این است که تپ الکتریکی بدست آمده از این بازتابش های بسیار کوچک به گونه ای نابرابر تقویت گردند که تپ های دور بیشتر و تپ های نزدیک کمتر تقویت شوند.تپ های بازتابشی فراصوتی ازدید شدت بسیار متفاوت هستند .برای نمونه شدت های بازتاب از صفر تا ۹۰db تغییر می کند .این اختلاف دسی بل برابر اختلاف در شدتی نزدیک به یک میلیاردم (DR=1/1) است. برای این کار تقویت کننده های لگاریتمی بکار گرفته می شوند . دستگاه تقویت کننده تفاوت تپ های الکتریکی بسیار کوچک و بسیار بزرگ را بسیار کم می کند. دستگاه الکترونیکی که این کار را انجام می دهد جبران زمانی یا .T.G.C است. ضریب بهره در اینجا ضریب جبران بهره زمانی است. این T.G.C. دارای منحنی ویژه ای است. کنترل .T.G.C در اختیار کاربر دستگاه سونوگرافی است. این منحنی دارای بخشهای زیر است.
۱- تقویت یا بهره نزدیک : که نشان دهنده اندازه بهره برای نزدیکترین بازتابش ها است.
۲- تاخیر : زمان یا ژرفایی را تنظیم می کند که در آن TGC آغاز به کار می کند؛ یعنی برای نمونه در چه ژرفایی بهره انجام می شود.
۳- شیب T.G.C : شیب T.G.C درجه بهره تپ های بدست آمده از بازتابش را که از ژرفاهای بیشتر می آید تنظیم می کند. این دگمه در دست کاربر است و کاربر می تواند تنظیم درجه بهره را برای کاهش های بافتی انجام دهد.
۴- بهره دور: بهره ای است که تنها برای تپ هایی که از ژرفای زیاد می آیند بکار می رود.
۵- افزایش : افزایش تپ ها را از یک بخش از منحنی T.G.C تقویت می کند ( برای نمونه تقویت از ناحیه دریچه میترال در بررسی کار قلب بوسیله سونوگرافی ). باید یادآور شد که هر کدام از بخشهای یاد شده دارای دگمه کنترل ویژه خود هستند تا با تغییر آنها سونوگرام دلخواه بدست آید.

پردازش سیگنالها:

۱- آشکارسازی : سیگنالهای بدست آمده از بازتابش در آغاز تقویت شده و سپس آشکار می شوند. کار آشکارسازی، یکسو سازی موج ولتاژ متناوب به یک موج یکسو است. این کار یا با برگرداندن بخش منفی موج به جهت مثبت و یا از میان بردن آن انجام می شود.

۲- تبدیل اسکن: تبدیل کننده اسکن ،برون ده سیگنالهای آشکارساز را گرفته و ذخیره می کند. این سیگنالها داده های نگاره ای هستند و ذخیره سازی آنها پیش از فرستاده شدن برای نمایش اسیلوسکوپی انجام می شود. بنابراین تبدیل کننده اسکن مانند یک حافظه در یک دستگاه کار می کند و سیگنالها را به درجه های خاکستری اختصاص می دهد. به ذخیره این داده ها نیاز داریم زیرا داده های بدست آمده سرعت بیشتری از داده های مورد نیاز برای ساخت نگاره دارند.

۳- پیش پردازش و پس پردازش : کار پیش پردازش پیش از ذخیره دامنه بازتابها در تبدیل کننده اسکن رخ می دهد. در بیشتر دستگاههای سونوگرافی کنترل پیش پردازش در اختیار کاربر نیست و این فرایند تغییرهای دلخواه داده ها را بیش از نمایش انجام می دهد.

پس پردازش کار اختصاص درجه های خاکستری برای شماره های ذخیره شده در حافظه تبدیل کننده اسکن است. شمار درجه های خاکستری بستگی به ویژگی های حافظه دارد. پس پردازش ارزشهای عددی را تغییر نمی دهد. اختصاص ارزشهای عددی، درجه های خاکستری برای ترازهای روشناییهای گوناگون در روی صفحه اسیلوسکوپ برای بهینه سازی نمایش داده ها است و این کار ارزش پس پردازش را نشان می دهد. چشم انسان می تواند تنها ۱۶ درجه خاکستری را تشخیص دهد.

اسکن روشنایی:

B.Scan از واژه Brightness scan به معنی اسکن روشنایی گرفته شده است و در این روش به جای این که دامنه امواج نشان دهنده بازتابهای برگشتی باشد، می توان یک سری نقطه در راستای محور دید به وجود آورد که هر نقطه، روشنایی متناسب با دامنه امواج بازتابشی داشته باشد.مانند اسکن دامنه در این حالت نیز تنها یک راستای بخصوصی دیده می شود.
داده هایی که با دستگاه بازتابشی تک موجی گردآوری می شود ؛یکی داده هایی درباره فاصله و دیگری درباره دامنه بازتاب است. از آمیختن این داده ها نگاره ای روی سطح اسیلوسکوپ به گونه اسکن دامنه به دست می آید. در اسکن دامنه و اسکن روشنایی، داده های به دست آمده تنها در راستای یک خط هستند. اسکن روشنایی پایه ساخت اسکن روشنایی دو بعدی و روشهای نگاره برداری دیگر است. می توان ترانسدیوسر فراصوتی را روی یک جاروبگر یا اسکنر مکانیکی که دارای حرکت دو بعدی است جا داد. این دستگاه میتواند راستا و جایگاه یک اسکن روشنایی را در هر وضعیتی به دست دهد.
اسکن روشنایی دوبعدی نمایش بخشی از عضو یا بدن است که موازی راستای حرکت پرتوهای فراصوتی می باشد. اسکن روشنایی دوبعدی طرح اصلی نگاره برداری ازاعضای بدن به وسیله دستگاه فراصوت یا سونوگرافی است.

ساده ترین راه تصویر یک نگاره دو بعدی اسکن روشنایی این است که مجموع نقطه های ایجاد شده در اسکنهای روشنایی یک بعدی را در یک صفحه دید درنظر بگیریم. برای بدست آمدن یک نگاره تیز در این روش نیاز این است که دامنه بازتابهای گوناگون فاصله سطح بازتابی از سطح ترانسدیوسر و مختصات یا جایگاه خطوط دید اسکنهای روشنایی همگی بوسیله ماشین ضبط گردند. بنابراین برای ایجاد نگاره دوبعدی ،ماشین باید راهی برای تشخیص جایگاه ترانسدیوسر روی بدن بیمار در هر زمانی که داده های مربوط به اسکنهای روشنایی ضبط می شود داشته باشد.جمع شمار بسیاری از اسکنهای روشنایی در راستاهای گوناگون نگاره اسکن روشنایی دوبعدی را به وجود می آورد که ارزش تشخیصی فراوانی در پزشکی دارد.

در دستگاه اسکن روشنایی مدارهایی که سیگنالها در آن فرایند سازی می شوند و ترتیبهایی که برای مدوله شدن روشنایی و همچنین آشکارسازی اسکن به کار گرفته می شود ،همه تنظیم شدنی و کنترل شدنی هستند. در این روش در حقیقت یک نگاره به صورت نقشه ای از مرزهای مشترک بافتها به دست می آید. در این روش اگر تکرار تک موجها را افزایش دهیم ( تا ۲۵۰۰ تپ در ثانیه )یعنی زمان بیشتری را صرف اسکن کردن بیمار نماییم و همچنین اگر در هنگام گرفتن اسکن بیمار حرکتی نکند نگاره بهتری به وجود خواهد آمد.

دلخواه این است که پس از تابش تپ به وسیله بلور فرستنده ،بلور زمان کافی برای دریافت بازتاب داشته باشد تا داده های به دست آمده از سطوح بازتاب تداخل نبیند. داده های بدست آمده در برگیرنده داده های مربوط به بعدهای x و y و همچنین دامنه بازتاب Z می باشند.

داده های مربوط به مختصات: برای این که دستگاه فراصوت ،چشمه ایجاد بازتاب را در بدن تشخیص دهد باید مختصات و راستای ترانسدیوسر را در همه جهات بداند. داده های مربوط به مختصات از ابزارهای الکترونیکی ویژه ای که پتانسیومتر الکتریکی نامیده می شوند بدست می آید.

پتانسیومترها داده های مربوط به موقعیت مانند مختصات x و y را به ما می دهد. این مختصات روی یک منحنی جا دارند. رایانه متصل به دستگاه داده هایی درباره طول زمان رفت وبرگشت موج فراصوت و همه عاملهای لازم را با سرعت بسیار اندازه گیری و سرانجام نگاره را می سازد.

روشن است که برای به دست آوردن یک نگاره سونوگرافی با جداسازی خوب پتانسیومترها باید در هر زمان مختصات دقیق ترانسدیوسر را بدانند. اگر داده های مربوط به مختصات دقیق نباشد نگاره خراب خواهد شد.

همانگونه که پیش از این گفته شد داده های مربوط به x و y و دامنه تپ z در بخش دیگری از ماشین به نام تبدیل کننده اسکن یا سازنده اسکن درهم آمیخته می شوند. این دستگاه دارای حافظه است و با آمیختن داده های مربوط به x و y و z فرمتی را در رایانه ایجاد می کند که می تواند به نگاره تبدیل شود و اسکنهای گوناگون ساخته شوند. لازم به یادآوری است که در دستگاه های سونوگرافی مانند هر دستگاه الکترونیکی دیگر سیگنالهای مزاحم وجود دارند که می توانند علامتهایی دروغین را بر روی نگاره اصلی ایجاد کنند. ویژگی های رایانه و دستگاه اسکن روشنایی بسیار نزدیک به دستگاه اسکن دامنه است.

اسکن حرکتی:

با به کارگیری روش اسکن روشنایی میتوان نمایش حرکت و زمان را به دست آورد. در این روش تپ های بدست آمده از بازتابها که به صورت روشنایی در آمده است را همزمان در راستای عمودی حرکت می دهند .

درنتیجه خطهایی بر حسب زمان به دست می آید . بازتاب از سطح های ساکن a و c خط های راستی را رسم می کند در حالی که سطوح بازتاب دهنده حرکت دار خط های مارپیچی به وجود می آورند.

این گونه نمایش در اکوگرافی و در عضوهای حرکت دار به کار گرفته می شود و بر حسب این که راستای ترانسدیوسر چگونه جا گرفته باشد سطح های گوناگون عضو دارای حرکت –قلب- می تواند بررسی شود. در این روش نه تنها سطح های گوناگون عضو دارای حرکت بررسی می شود ؛بلکه اندازه گیریهای کمی نیز می تواند انجام شود. از کاربردهای این روش بررسی حرکت های دیافراگم، سطح های دیواره آئورت، رگهای بزرگ و قلب می باشد.
برای ثبت خط های یاد شده در این روش یک دوربین عکاسی که فیلم در آن با سرعتی ثابت در حرکت است بکار می رودو سوی حرکت فیلم عمود بر خط زمان فراصوت می باشد.
در روش دیگر اسکن روشنایی را روی صفحه اسیلوسکوپ با سرعت ثابت به حرکت در می آورند ( با پیوند یک تولید کننده ولتاژ جاروبی و پایه زمانی کم سرعت به صفحه های xx` و سیگنالهای بازتابی به yy` این کار انجام می شود). تنها مشکل این کار کوتاهی زمانی است که در آن باید عکاسی را انجام داد ولی در عوض با این روش ضبط همزمان حرکت های بافت های گوناگون امکان پذیر است.

ترانسدیوسرهای فراصوتی ویژه:
اکنون ترانسدیوسرهایی می سازند که اندکی از یک مداد بزرگتر است. این ترانسدیوسرها برای وارد کردن به درون رکتوم و واژن و برای بررسی اعضای مجاور ساخته شده اند. برخی از این دستگاهها تنها یک بلور دارند که بگونه ای مکانیکی چرخیده و سکتور ( یا قطاع ) ۴۵ تا ۹۰ درجه را اسکن می کند.

روش داپلر:

روش داپلر در بررسی بافتهای متحرک به گونه گسترده ای در پزشکی بالینی کاربرد دارد. با بکارگیری بسامد داپلر (f ) می توان داده هایی درباره سرعت حرکت سطح بازتاب کننده به دست آورد. این داده ها می توانند به وسیله گوش یا دستگاه بررسی شوند. مشکلاتی که کاربرد فراصوت تک موج ( مانند کاربری روغنها یا مواد واسطه مناسب و گذر فراصوت از گازها و ۰۰۰) به همراه داشت در این روش هم وجود دارد.

با بکارگیری اثر داپلر می توان سرعت خون رابدست آورد. در این روش ترانسدیوسر امواج با بسامد بالا ۱۰ MHz را به درون بافت گسیل می دارد و پرتوهای بازگشتی را دریافت می کند. f در اینحالت به زاویه میان پرتو فراصوتی و راستای حرکت خون و همچنین به سرعت جریان خون بستگی دارد با توجه به برابری f=2u/c(cos)f روشن است که بیشینه f در cos = 1 یا = ۰ وجود خواهد داشت.

دو روش برای به دست آوردن f بکار می رود.
۱- موج پیوسته:
در این روش موج سینوسی پیوسته را به درون بافت گسیل می کنند. این موج دربرخورد با گلبولهای قرمز خون بازتابش می کند و بازتاب بسامد دیگری نسبت به موج گسیلی خواهد داشت. در این روش فرستنده و گیرنده امواج باید از همدیگر جدا باشند و باید دو ترانسدیوسر هم پوشانی داشته باشند. در روش یاد شده تغییرهای بسامد داپلری که مربوط به دیواره های رگ و قلب باشد با فیلتر کردن آن و به کارگیری آشکارساز بسامد داپلر امکان پذیر است. موج گذر کرده از فیلتر تقویت شده و ممکن است بصورت شنوایی در آید.

۲- موج ناپیوسته :
در موج پیوسته زمانی برای دریافت بازتاب وجود نداشت. در روش موج ناپیوسته در طول زمان میان فرستادن دو موج پشت سر هم که طولانی است تپ بازتاب دریافت می شود و f بدست می آید. در این روش سرعت را می توان برای هر ژرفایی بدست آورد. در سامانه موج پیوسته بازتابشی که بدست می آمد میانگین بسامدهای گوناگونی بود که از ناحیه هم پوشانی باز می گشت.
یعنی اگر دو رگ در سر راه موج تابشی وجود داشته باشد که دارای سرعتهای خون متفاوتی باشند در سامانه موج پیوسته بسامدی که ما دریافت می کنیم ،میانگین بازتابش از دو رگ است و سرعت خون هیچ یک از رگها دقیق آشکار نمی شود. البته در بررسی های ویژه ای مانند بررسی کار قلب جنین، نیازی به دقت وجود ندارد زیرا تنها می خواهیم از کارکردن قلب جنین آگاه شویم.
در سامانه تپ موجی با PRF مخصوصی فرستاده می شود. این امواج با سطح های بازتابنده گوناگونی برخورد می کنند. اگر سطحی بی حرکت باشد تغییر بسامد دیده نمی شود ولی اگر حرکت داشته باشد f را خواهیم داشت.
بنابراین در هر ژرفایی بازتاب ویژه را داریم و حال اگر کاری کنیم که بگونه ای انتخابی در یک زمان تنها به یک تپ بازتابشی اجازه گذر دهیم یعنی تنها بازتابشی را از ژرفای z تقویت کرده و باقیمانده را حذف کنیم خواهیم دید که از همه بازتابشها با بسامدهای گوناگون تنها یکی برگزیده شده است وسیگنال انتخاب شده بازگشتی پشت سرهم خواهد بود که در اینجا می گویند تپ های A دریچه سازی شده اند. موج بدست آمده به علت حرکت جریان خون در یک رگ خونی به خصوص ،بسامد بازگشتی متفاوتی دارد. بنابراین f در اینحالت به دست آید.
اگر بار دیگر برای سیگنال بازگشتی B کار دریچه سازی را انجام دهیم f مربوط به ژرفایی به دست می آید که سیگنالهای B از آن بازگشته اند و در ژرفای بیشتری نسبت به A جا دارد؛ زیرا B از دید زمانی پس از A دریافت گردیده است. پس از راه تغییر دریچه سازی بسامد f و در حقیقت سرعت برای ژرفاهای گوناگون به دست می آید. باید یادآور شد که بسامد به دست آمده از موجهای بازگشتی مربوط به یک نقطه هندسی نیست بلکه مربوط به یک حجم است و موج بازگشتی میانگین بسامد امواج بازگشتی از این حجم را دارد. با کوچکتر کردن دریچه می توان جسم کوچکتری را بررسی کرد این کوچک کردن حدی دارد که همان حد جداسازی محوری است.

دستگاه داپلر رنگی:

در این دستگاه برای دریافت امواج بازگشتی زمان تاخیر میان دو موج گسیلی را تغییر می دهند و از این راه از ژرفاهای گوناگون نمونه برداری کرده و به بررسی آنها می پردازند. با در نظر گرفتن ژرفای مورد مطالعه زمان تاخیر مناسب را برگزیده و امواج را گسیل می کنند و با بررسی امواج بازگشتی حرکت های موجود در ژرفای برگزیده را می بینند .با این کار یعنی کوچکتر کردن دریچه، نمونه های بیشتری در یک حجم بررسی می شوند. برای نمونه می توان یک رگ را به چند بخش از دید ژرفا تقسیم کرد. و سرعتهای بخشهای مختلف آن را اندازه گرفت. حال اگر برای هر سرعتی رنگی در نظر گرفته شود سرعتهای گوناگون درون بافت ها را می توان با رنگ های گوناگون نشان داد.
رنگ های بکار گرفته شده از سرخ تا آبی تغییرمی کند. برای بسامد های بیشتر ( f + f ) رنگ سرخ و بسامدهای کوچکتر ( f – f ) رنگ آبی نسبت داده می شود. روشن است که گستره رنگهای سرخ می تواند بزرگ باشد ( چند رنگ سرخ ) برای نمونه در زنش سیستولیک که بسامد افزایش می یابد رنگ قرمز و در زنش دیاستولیک که حرکت برگشتی و بسامد کوچکتر است رنگ آبی را نسبت می دهند و علت اینکه به این روش بررسی، داپلر رنگی می گویند این است که سرعت به رنگ تبدیل شده است.

دستگاه داپلکس:

در این دستگاه نگاره داپلر رنگی را روی نگاره اسکن روشنایی می اندازند بنابراین ترکیبی از آناتومی و حرکات یک عضو بصورت تغییر رنگ می تواند دیده و بررسی شود. در این روش در آغاز نگاره اسکن روشنایی ساکن از عضو بررسی می شود، سپس با بکارگیری دستگاه داپلر رنگی جریانهای مایع و حرکتها را بسته به جای ترانسدیوسر تشخیص می دهند .نگاره بدست آمده برپایه تغییر دامنه امواج و تغییر بسامد امواج گسیلی می باشد که بوسیله رایانه ای روی صفحه نمایش بر روی هم جا گرفته و آمیخته می شوند.
برای نمونه اگر بخواهیم رگی را بررسی کنیم درون رگ را سرخ پررنگ می بینیم و به نزدیک دیواره که می رسیم سرخی کمرنگتر می شود.
با بکار بردن ترفندهای رایانه ای می توان صدا و طول موج ساختار مورد بررسی را بدست آورد. اگر در این بررسی جایگاه مکان نما، زاویه و سوی زاویه را تغییر دهیم به گونه ای که مکان نما با رگ موازی شود سرعت دقیق بدست می آید. در دستگاه داپلکس سه کار همزمان انجام می شود:
۱- دیدن نگاره عضو تحت بررسی
۲- دیدن چگونگی حرکت از راه تغییر رنگ
۳- بدست آوردن اندازه سرعت و دیدن شکل موج
این روش بیشتر در تشخیص بیماریهای قلبی و رگی مانند نارساییهای تلمبه قلبی و گرفتگی رگها بکار می رود. اگر گرفتگی رگی در یک رگ وجود داشته باشد می توان آنرا دید زیرا در جایی که رگ گرفته شده تنگی رگ وجود دارد بنابراین برابر قوانین برنولی ( Bernowlli ) سرعت خون در آنجا افزایش می یابد پس رنگی که در جایگاه تنگی رگ خواهیم دید از بخشهای دیگر رگ متفاوت خواهد بود.
در این دستگاه شمار نگاره های که در یک ثانیه گرفته می شود به ۴۰۰ نگاره در ثانیه هم می رسد یعنی بسیار بیشتر از ۲۵ نگاره در ثانیه ( تا نگاره ها پیوسته دیده شوند ). هر چه شمار نگاره بیشتر باشد توان جداسازی نگاره بهتر می شود. می توان نگاره ها را دوباره نمایش داد و با تغییر زمان سرعت حرکت نمایش را کاهش داد. بنابراین می توان رخدادهای موجود در یک عضو را به گونه ای کامل و دقیق دید و نگاره ها را نیز تک تک دید و بررسی کرد.