T.C. GAZİ ÜNİVERSİTESİ GAZİ EĞİTİM FAKÜLTESİ ORTA ÖĞRETİM FEN VE MATEMATİK ALANLARI EĞİTİMİ BÖLÜMÜ FİZİK EĞİTİMİ ANABİLİM DALI ULTRASES (ULTRASOUND) DANIŞMAN: Doç. Dr. MUSTAFA KARADAĞ HAZIRLAYAN: AYSUN BÜYÜKTANIR 070557006 2010 ANKARA
İÇİNDEKİLER 1.GİRİŞ 2.GENEL TANIMLAR 2.1 SES NEDİR? 2.2 ULTRASES NEDİR? 3.ULTRASES NERELERDE KULLANILIR? 4.ULTRASES İN ETKİLERİ NELERDİR? 5.ULTRASES NASIL ÜRETİLİR? 6.ULTRASES İN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ NELERDİR? 7.ULTRASONOGRAFİ NEDİR? 8.KAYNAKÇA
1.GİRİŞ: Varlığı röntgen ışınlarından on iki yıl önce ortaya konmuş olan ULTRASES ile ilgili çalışmalar 1920 lerde başlamış ve zamanımıza kadar devam etmiştir. Doğada ULTRASES uygun bir enerjiye bağlı olarak üretilip, ekolu bir şekilde yarasa, yunus balığı tarafından da kullanılmaktadır. Biyolojik sistemler üzerinde WOOD ve LOOMS ın araştırmaları bu konuda yapılmış ilk çalışmalardır. ULTRASES sahip olduğu özellikler nedeni ile pek çok alanda kullanılmaktadır. 2.GENEL TANIMLAR: 2.1 SES NEDİR? Ses, denge durumunda bulunan bir ortamda taneciklerin mekanik titreşimleridir. Ses verebilen herhangi bir sisteme ses kaynağı, ses kaynaklarının ses vermekteyken yaptıkları hareketlere ses titreşimleri, bu hareketlerde bir tam titreşim süresine ses titreşiminin periyodu ve saniyedeki devir sayısına da sesin frekansı denir. Ses bir titreşim hareketinden meydana gelir. Bunun tersi her zaman doğru değildir. Yani her titreşim hareketi muhakkak bir ses meydana getirmez. İnsan kulağı frekansı 20-20.000 Hz. arasındaki dalgasal enerjiyi ses olarak algılayabilir. Elektromanyetik dalgaların aksine ses boşlukta iletilemez. Ses dalgaları ancak moleküler ortamda iletilebilmektedir. Ses, boyuna dalga özelliğindedir. Sesin yayılabilirliği ortamların sıkışabilirliği ile ters orantılıdır. Bu yüzden ses hızı gazlarda en yavaş, katılarda da en hızlıdır. Ayrıca sesin hızı sıvılarda ve gazlarda sıcaklıkla artmaktadır. Havada ses hızı ortalama 331 m/s dir. 2.2 ULTRASES NEDİR? Ses dört kategoride sınıflandırılabilir:
İnfrases (İnfrasound):Frekansı 0-20 Hz. arasındadır. Duyulabilir Ses (Audible Sound):Frekansı 20-20.000 Hz. arasındadır. Ultrases (Ultrasound):Frekansı 20.000 Hz. ile 1GHz. arasındadır. Hiperses: Frekansı 1 GHz. den yukarı olan sestir. ULTRASES, insan kulağının işitemeyeceği kadar yüksek frekanslı ses dalgalarına verilen addır. ULTRASES akustik bir dalgadır. 3. ULTRASES NERELERDE KULLANILIR? A. MEDİKAL ALANDA: Medikal alanda kullanımı ikiye ayrılır: a)tanısal Olarak: ULTRASES in tıpta tanısal alanda kullanılmaya başlaması 1950 lerden itibaren olmuştur. Tanı amacıyla ULTRASES i ilk kullanan kişi Avusturyalı araştırmacı Dr. KARL DUSSIK tir. Yumuşak dokuları da görüntüleyebilmesi ve röntgen ışınlarından çok daha zararsız olması gibi özellikleri ile ULTRASES; tanı tekniği açısından, diğer tekniklere göre büyük avantajlara sahiptir. Ayrıca iyonize etkisi de olmayan ULTRASES ile tanı sistemleri özellikle son 20 yıl içerisinde çok geliştirilmiş ve bilgisayarlarla donatılarak uygulamaya sokulmuştur. b) Tedavi Olarak: ULTRASES, 1929 yılından itibaren de ısı etkisinden yararlanılarak bir tür tedavi aracı olarak tıpta kullanılmaya başlanmıştır.günümüz de cerrahi uygulamalarda, onkolojide de kanserli hücrelere karşı kullanılmaktadır. Ayrıca ULTRASES; dişçilikte, fizik tedavide, göz hastalıklarında, idrar torbası hastalıklarında, safra kesesi ve taşı hastalıklarında, karaciğer hastalıklarında, böbrek taşının kırılmasında ve bazı deri hastalıklarının tedavisinde kullanılmaktadır.
B. ENDÜSTRİYEL ALANDA: Havada yayılabilirliği nedeniyle; hırsız alarmı yapımında, kemirici hayvanların uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır. Suda yayılabilirliği nedeniyle; çeşitli sıvıların zehirli gazlardan arıtılmasında,derinlik ölçümlerinde, derişik karışımların hazırlanmasında, aletlerin sterilizasyonunda kullanılmaktadır. Katılarda yayılabilirliği nedeniyle; katısal ürünlerdeki çatlakların tespit edilmesinde, sürtünme ısısı sağlanarak metal ve plastik kaynaklarında,mekaniksel zorlanma sağlanarak çözünme testlerinde kullanılmaktadır. Metalleri ince toz haline getirmek için kullanılmaktadır. Fabrika bacalarından çıkan gazları temizleyerek hava kirliliğini önlemede kullanılmaktadır. Çok ince tanecikli fotoğraf emülsiyonları hazırlamada kullanılmaktadır. Tekstil, metal kaplama ve saatçilik gibi aşırı temizlik isteyen sanayi kollarında temizlik işinde kullanılmaktadır.
Meşrubat sanayinde şarabı eskitmek, birayı yabancı mayalardan arıtmak, şuruplarda enzimleri glikoz gibi diğer ürünlere dönüştürmek, sütü sterilize etmek için kullanılmaktadır. Özel metal alaşımı yapmak için kullanılmaktadır. 4.ULTRASES İN ETKİLERİ NELERDİR? A)Fiziksel Etkileri: a)kabarcık Oluşumu: Yeterince büyük şiddetli ULTRASES dalgaları sıvılarda kabarcıklanma yaratır. Bu yol ile sıvı içerisinde bulunan katı cisimciklerin ve bakterilerin parçalanmasını sağlar. b)isı Etkisi: Farlı ortamlarda ve farklı ULTRASES dalgaları ile yapılan deneyler, ses titreşim enerjisinin ısı enerjisine dönüştüğünü ve ortamın ısındığını göstermiştir. c)sis Oluşumu: Bir sıvı içerisinde ilerleyen şiddetli bir ULTRASES dalgası havasıvı sınırında yansıdığı zaman sıvı molekülleri püskürür ve sıvı yüzeyinde bir sis tabakası gözlenir. d)gazdan Arıtma: Bazı durumlarda katı ve sıvı içinde çözünmüş bulunan gazların arıtılması gerekebilir. Bu amaç ile gazdan arıtılmak istenen madde de ULTRASES e tabi tutulur. B)Kimyasal Etkileri: Reaksiyon hızlanması, oksitlenme, bileşim bozulması, kristallenme, kaynama sıcaklığının değişmesi, molekül zincirlerinin parçalanması. C)Biyolojik Etkileri: a)isı Etkisi: ULTASES e maruz kalmış bir organın sıcaklığının arttığı gözlemlenir. b)mikro Masaj Etkisi: ULTRASES bir organda yayılırken hücre grupları periyodik basınç değişimine maruz kalır. Bu olaya sesin ultra masaj etkisi denir.
c)elektriksel Etkisi: Bazı protein veya selüloz molekülleri gibi iri biyolojik moleküller piezoelektrik olayı gösterirler. ULTRASES in oluşturduğu basınç değişimi iri biyolojik parçacıkların elektriksel kutuplanmasına yol açar. d)ivme Etkisi: ULTRASES titreşimini alan bir ortam parçacığı oldukça büyük bir ivme ile titreşir. 5.ULTRASES NASIL ÜRETİLİR? ULTRASES üretiminde bir teli, bir zarı titreştirmek gibi işitilebilir ses üretim yöntemlerine benzer bir çok mekanik yöntem olmasına rağmen ULTRASES üretiminde piezoelektrik olaylardan yararlanılır. ULTRASES ilk olarak 1880 yılında Piere ve Jacques CURİES kardeşlerce, piezoelektrik (basınç elektriklenmesi) özelliği olan kristaller yardımı ile üretilmiştir. ULTRASES üretiminde kuartz, lityum sülfat, kadmium sülfat, çinko oksit, tourmaline, baryum, titanat, kurşun titanat gibi piezoelektrik özelliğine sahip kristaller kullanılmaktadır. Piezoelektrik olay basitçe, üzerine mekanik bir basınç uygulanan bazı kristal ve seramik malzemelerde bir elektriksel gerilimin oluşması anlamına gelir. Piezoelektrik özellikte bir kristal malzeme, disk veya prizma şeklinde kesilip, yüzeyleri ince iletken bir metal (altın, gümüş, alüminyum ) ile kaplanır. Kristalin alt ve üst yüzeylerine mekaniksel basınç uygulanırsa, bu yüzeylerde kutuplanmalar, tersi bir uygulama sonucunda ise devamlı değişen voltajın frekansına bağlı seri bir şekilde uzama ve kısalmalar elde edilir. Bu mekaniksel uzayıp kısalmalar (titreşimler) da bize ULTRASES i verir. Piezoelektrik olay çift yönlüdür. Ters piezoelektrik olayla ULTRASES elde edilir, sistem verici olarak kullanılır. Normal piezoelektrik olayla ULTRASES algılanır, sistem alıcı olarak kullanır. PİEZOELEKTRİK ETKİ Piezoelektrik özelliğe sahip kristaller üzerine mekaniksel bir basınç uygulandığında meydana gelen değişim aşağıdaki şekillerde görülmektedir.
VOLTMETRE ŞEKİL-1: PİEZOELEKTRİK ETKİ Elektrik akımının veya manyetik alanın, kristaller tarafından basınç dalgalarına çevrilmesi ile ULTRASES dalgaları oluşur. Bu işlemi yapan aygıtlara da TRANSDÜSER denir. Yani transdüserler, bir formdaki enerjiyi bir başka forma çevirebilen aygıtlardır. ++++++++ + Şekil-2:TRANSDUSER
ULTRASES Üreten Transdüserlerin Materyellerinde Aşağıdaki Özellikler Olmalıdır: 1- Titreşim modları için piezoelektrik karakteristiklere sahip olmalı, 2- Homojen bir yapıya sahip olmalı, 3- Arzu edilen şekil ve büyüklükte çalışılmasına olanak vermelidir, 4- Sıcaklık nedeniyle özelliklerinde değişim çok az olmalı, 5- İç direnci mümkün olduğu kadar düşük olmalı, 6- Fiziksel ve Kimyasal özelliklerini uzun süre muhafaza etmeli, Piezoelektrik Kristale Uygulanan Basınç İle Oluşan Kutuplaşma +++++++++++++++ ++++++ a)normal b)kısalmış c)uzamış
Piezoelektrik Kuartz Kristalinde, Basınç Uygulaması Sonucu Oluşan Molekülsel Kutuplaşma
6.ULTRASES İN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ NELERDİR? A) AKUSTİK EMPEDANS: ULTRASES in değişik ortamlardan yansımasını sağlayan yani ortamın yansıtıcı özelliğine akustik empedans denir. Ayrıca akustik empedans (Z) ortamların akustik momentidir şeklinde tanımlanır. Z = v. d v: Ortamdaki sesin hızı d: Ortamın yoğunluğu B)ULTRASES in ŞİDDETİ: ULTRASES ışınının şiddeti (yoğunluğu), enerji gücünün ölçümüdür ve ışının yayılma doğrultusuna dik birim alandan geçen enerji miktarıdır. Bu şiddet ; 2 2 2 p I 2 f.d.v.a 2.d.v Birimi: Watt/m 2 dir. A: Ses dalgalarının genliği V: Hız f: Frekans P:Basınç Genliği d:ortamın Yoğunluğu I:Ultrases in Şiddeti
C)ULTRASES İN SOĞRULMASI: Doku üzerine gelen ULTRASES enerjisinin belli bir kısmı, ortamın viskozitesinin yenilmesi sırasında, soğrularak harcanır ve böylece ortamın viskozitesi yüzünden oluşan enerji kaybı nedeniyle yayılan ışının şiddetinde de bir azalma söz konusu olacaktır. Soğurulan ULTRASES miktarı, dokunun derinliği (x) ve ışının frekansı ile doğru orantılıdır. ULTRASES şiddet değişimi exponansiyeldir. Oluşan değişimin formülü: I 2 = I 1. e x.α α: cm deki soğurma katsayısı x: Derinlik 7.ULTRASONOGRAFİ NEDİR? Ultrasonografi, ses dalgalarından yararlanılarak yapılan bir görüntüleme yöntemidir. İnsan kulağının duyamayacağı frekansta ses dalgaları, problar (ultrasonun insan vücuduna değen kısmı) aracılığıyla vücuda gönderilmekte, organlardan yansıyan ses dalgaları ise cihazın ana gövdesinde bulunan bilgisayarlar aracılığı ile görüntülü olarak ekrana aktarılmaktadır. Oluşan görüntü fotoğraf kağıdı ya da videoya kaydedilmektedir. ULTRASES cihazlarının kullanıldığı yönteme ultrasonografi denir. Ultrasonografi yumuşak dokuları inceleyen bir metottur. Ultrasonografi sıvı-katı ayrımını çok iyi yapar. Ultrasonografi puls-eko prensibine dayalı bir tekniktir. Bu ilke, vadinin bir tarafından seslenen kişinin sesini duyması ile aynıdır. Havadaki ses hızı bilindiğinden sesin yansıdığı yerin uzaklığı ölçülebilir. Ultrason ile görüntülemede kısa bir ultrasonik puls vücut içine verilmektedir. Bu puls yansıma oluşturabilecek bir yüzeyle karşılaşıncaya kadar sabit bir hızla dokuların içerisine ilerler. Ses demeti, böyle bir
yansıtıcı yüzeyle karşılaştığında, bir kısmı ses kaynağına doğru geri yansır. Bu aradaki geçen zamanı saptayan algılayıcı ultrason scanner tarafından bu süre kaydedilir. Aygıt bu süreyi uzaklık olarak dönüştürür. Bu uzaklık sayısal bir değer yerine, video ekranı ya da osiloskop üzerinde bir nokta veya dikey defleksiyonlar olarak gösterilir. Bu dikey defleksiyonları yeri ekonun uzaklığı ile orantılıdır. Her defleksiyonun yüksekliği, transduser tarafından alınan enerji ile doğru orantılıdır. Bu durumda sadece uzaklık ölçümü değil, aynı zamanda bir görüntü de elde edilmiş olunmaktadır. ULTRASES enerjisi bir ortamdan alçalıp yükselen basınç dalgaları şeklinde ilerler. ULTRASONOGRAFİ NİN AVANTAJLARI Düşük maliyetli olması Aygıtın taşınabilir olması Hastayı yatakta inceleme imkanının olması Yöntemin kolay uygulanabilir olması İncelemenin herhangi bir tehlike içermememsi İnceleme sonucunun güvenilir olması ULTRASON (ULTRASES) CİHAZI Ultrason (ULTRASES) cihazları tıpta yaygın olarak kullanılan ve doktorların başvurduğu teşhis etme cihazıdır. ULTRASON (ULTRASES) CİHAZI ÖRNEKLERİ:
ŞEKİL-1 ŞEKİL-2
ŞEKİL-3 ŞEKİL-4
ŞEKİL-5 ULTRASES (ultrason) cihazının iki ana parçası vardır. Bunlar ana ünite ve transduserdir. Tetkik esnasında incelenen vücut alanına konan parça transduserdir. Transduserden çıkan ses dalgaları vücut içinde yansır ve tekrar transdusere gelir. Buradan da ekrana görüntü aktarılır. Oluşan görüntüye sonogram denir. ULTRASES CİHAZININ ÖĞELERİ: 1)TRANSDUSER: Ultrases dalgalarını üretip hem gönderici hem de alıcı olarak hareket eder. Transduser iki amaçla kullanılır. 1.YAYINLAYICI (TRANSMİTTER): Transduser tarafından yayınlanan ultrases dalgalarının frekans ve sürelerini ayarlar. 2.ALICI (RECEİVER): Transduser içinde tekrar elektrik impulslarına dönüştürülen geri dönüş ekoları alıcı tarafından toplanır. 2)SİNYAL AMPLİFİKATÖRÜ: Alıcı ile katot ışını tüpü arasına yerleştirilen sinyal amplifikatörü alıcıdan gelen sinyalin voltajını arttırır.
3)KATOT IŞINI TÜPÜ (EKRAN) :Geri dönen ve amplifiye edilmiş eko impulslarını alır. İşlem görmüş olan bu impulslar katod ışını tüpünde ya da osiloskopta görüntü oluştururlar. ULTRASES İle Görüntüleme Aracının Genel Yapısı ULTRASES CİHAZI İLE ELDE EDİLEN BAZI GÖRÜNTÜLER
GÖRÜNTÜ-1 GÖRÜNTÜ-2
GÖRÜNTÜ-3 GÖRÜNTÜ-4
8.KAYNAKÇA: TAŞKÖPRÜLÜ NEZİHE, ULTRASES, İSTANBUL FAKÜLTESİ ÜNİVERSİTESİ FEN SEÇİL MUSTAFA, TEMEL ULTRASONOGRAFİ, İZMİR 2008 ÖKTEN İLHAN, ULTRASES, TEZ ULTRASES VİKİPEDİ FİZİK EĞİTİMİ SİTESİ(onlinefizik.com) BİLİM TEKNİK DERGİSİ MEHMET ALİ KÖRPINAR, ULTRASES ve MEDİKAL UYGULAMALARI FİZİK SİTESİ(genbilim.com)