Ultrason nedir? Nasıl üretilir? Ve ultrasonun gücüyle neler yapılabilir?

Ses, dalgalar halinde yayılan ve cisimlerin titreşmesi ile oluşan bir enerji çeşididir. Sesin iletilebilmesi için mutlaka katı, sıvı ve gaz gibi bir ortama ihtiyaç vardır. Bu nedenle boşlukta ses iletimi olmaz. Madde ortamında nerede bir titreşim varsa orada bir ses vardır. Çünkü madde parçacıklarının ileri geri hareketleri olan titreşimlerle  ses dalgaları oluşmaktadır. Ses basınç düzeyi, dB (Decibel) olarak ifade edilir. İnsan kulağının sesleri duyma eşiği 0 dB'dir. İnsan kulağının en düşük işitme referans değeri (yani 0 dB eşiğine karşılık gelen ses basıncı) ise 20 mikro Paskal'a karşılık gelmektedir. İnsan kulağı 20 ile 20.000 Hz arasındaki seslere karşı duyarlıdır.  20 KHz- 1 GHz aralığındaki sesler, ultrases(ultrasound) olarak tanımlanır. 0 Hz – 20 Hz aralığındaki sesler ise Infrases (Ses Altı) olarak tanımlanır. Frekansı, 1 GHz’den büyük olan seslere Hiperses adı verilir. İnsan kulağı yüksek frekanstaki sesleri tiz (ince) olarak, düşük frekanstaki sesleri ise bas (kalın) olarak duyar.

 

Su dalgaları, ses dalgaları, ışık dalgaları, radyo- tv dalgaları, mikro dalgalar v.b gibi birçok bilinen dalga türü vardır. Bunlardan ışık dalgaları, radyo-tv dalgaları, mikro dalgalar elektromanyetik dalgalar olup hem maddesel ortamda hem de boşlukta rahatlıkla yayılabilmektedirler. Fakat su ve ses dalgalarının yayılabilmeleri için mutlaka esnek bir ortama ihtiyaç vardır. Bu şekilde esnek bir ortamda yayılabilen dalgalara mekanik dalgalar adı verilir ve ses, esnek ortamın denge konumu etrafında salınmasıyla oluşur. Ultrasonik dalgalar, mekanik titreşimlerdir ve farklı materyallerde farklı dalga boylarına sahiptirler. Bu, materyalin elastik özelliklerine bağlıdır. Sesin yayılması ancak maddesel bir ortamda mümkündür ve sesin oluşması için bir maddesel ortam, mutlaka titreşime zorlanmalıdır. Mekanik dalgalar esnek ortamın herhangi bir noktasına uygulandığında, dalga tarafından bu noktaya uygulanan kuvvet bu noktadan diğer noktalara aktarılır. Ortamın tüm olarak hareket etmediği, yalnızca titreşimin yer değiştirdiği bu tür mekanik dalgalarla enerji, madde içerisinde bir noktadan diğerine iletebilir. Mekanik dalgalar olan ses dalgaları; katı, sıvı ve gazlar (homojen olan) içerisinde sabit hızlarla ilerler. Ses, gaz ve sıvılarda boyuna dalgalar şeklinde ilerlerken, katılarda hem boyuna hem de enine dalgalar şeklinde ilerlemektedir. Ses boşlukta yayılamaz. Çünkü boşlukta sıkışmaları iletecek bir madde bulunmamaktadır. Ses dalgalarının hızı, yayıldığı ortamın sıkışabilirliği ve yoğunluğuna bağlıdır. Örneğin ses hızı; havada, deniz seviyesinde ve 21 °C sıcaklıkta 343.2 m/s, suda 1484 m/s, tahtada 4700 m/s, demirde 5100 m/s, kemikte 4080 m/s ve alüminyumda 6400 m/s’dir. Bu arada, sıcaklık ses hızını etkileyen önemli bir parametredir.

 

Ultrases bir titreşim enerjisi yani mekanik bir enerjidir. Ultrases oluşturmak titreşim enerjisi oluşturmak demektir. Bir müzik aletinin telini, yani hava moleküllerini titreştirmek günlük hayatta bilinen ses üretme yöntemlerinden biridir. Sesin algılanması da benzer prensibe dayanır. Havadan gelen ses dalgaları kulağın veya mikrofonun zarını titreştirir. Kulak zarına gelen bu titreşimler beyne iletilerek ses olarak algılanırken, mikrofona gelen titreşimler elektrik enerjisine dönüştürülerek algılanır.

 

Ultrases frekansları üretmek yine bir titreşim hareketi üretmek ve algılamak da titreşim enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek demektir. Yüksek frekanslı bu titreşimleri meydana getiren ve algılayan aletlere transdüser (dönüştürücü) adı verilir. Transdüser, sönümleyici blok, soket ve bağlantı kablolarından oluşan düzeneklere ise Prob denir. Problar elektrik enerjisini, bünyesinde mevcut olan transduser (genellikle piezoelektrik bir kristaldir) aracılığıyla yüksek frekanslı titreşim enerjisine ve aynı zamanda da gelen yüksek frekanslı titreşim enerjilerini de elektrik enerjisine çevirebilmektedirler. Yani; aynı prob, hem verici hem de alıcı olarak iki taraflı çalışarak kullanılabilmektedir. Ultrasonik problar; gaz sürücülü, sıvı sürücülü ve elektromekanik olmak üzere üçe ayrılır. Ultrasonik dalga üretmek için çeşitli yollar vardır. Örneğin, piezoelektrik, elektrostriksiyon, manyetostriksiyon ve elektromanyetik lazer ile ultrasonik dalgalar üretilebilmektedir. Bunlardan en çok piezoelektrik etki yöntemi kullanılmaktadır.

 

1880’ de Jacques ve Pierre Curie tarafından, mekanik bir kuvvet etkisi altında kalan kuvars, turmalin ve Rochelle tuzu gibi malzemelerin yüzeylerinde elektrik yükleri oluştuğu keşfedilmiştir. Latince “bastırmak-press” anlamına gelen “piezo” ön ekinden türetilen “piezoelektrik” kavramı basitçe, üzerine mekanik bir basınç uygulanan bazı kristal ve seramik malzemelerde bir elektriksel gerilimin oluşması olarak tanımlanır. Yani piezoelektrik, basınçla elektrik oluşturma anlamına gelmektedir.

 

Bilim tarihinde Curie’lerin özel bir yeri vardır. Marie Curie veya doğum ismiyle Maria Salomea Sklodowska (7 Kasım 1867 – 4 Temmuz 1934),  Polonya asıllı kimyager ve fizikçidir. Sonradan Fransız vatandaşlığına geçmiştir. Radyoaktivite üzerine yaptığı çalışmalarla iki farklı alanda Nobel Ödülünü kazanmıştır. Uranyumla yaptığı deneyler sonucunda radyoaktiviteyi keşfetmiştir. Toryumun radyoaktif özelliğini bulmuş ve radyum elementini ayrıştırmıştır. Kendisi 1903 Nobel Fizik ödülünü ve 1911 Nobel Kimya ödülünü almıştır ve radyoloji biliminin kurucusu sayılır. Çalışmalarıyla bir çığır açan Curie, Nobel Ödülü'nü alan ilk kadın, bu ödülü iki kere alan ilk bilim insanı olarak tarihe adını yazdırmıştır. Marie'nin kocası Pierre Curie ve fizikçi Henri Becquerel de Fizik 1903 Nobel Ödülünü birlikte paylaşmışlardır. Marie Curie’nin kocası Pierre Curie (15 Mayıs 1859, Paris - 19 Nisan 1906, Paris), bir Fransız fizikçisidir; kristalbilim, manyetizma, piezoelektrik ve ışın-etki biliminin öncülerindendir. Yani pizeoelektrik olayının keşfinde, Nobel ödülü almış bir bilim adamının büyük bir katkısı vardır.  Piezoelektrik olay, ultrasonun temelidir.

 

Piezoelektrik olay, temel olarak kristallerin mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmesi işlemidir. Katı maddeler yüklü parçacıklardan oluşur ve nötr bir katı madde içerisinde negatif ve pozitif yüklü parçacıklar denge halindedir. Bazı katı malzemelerin üzerine mekanik bir kuvvet uygulandığında yüzey yükleri oluşur ve bir kristalde piezoelektrik özelliğin gözlenmesi bu yüzey yüklerinin oluşmasına bağlıdır. Piezoelektrik özelliğin gözlenebilmesi yani cisim sıkıştırıldığında yüzeyde yüklerin oluşabilmesi için cismin simetri özelliğinin olması yüklerin oluşması için gerekli koşulları kısıtlamaktadır, bu sebepten dolayı simetri merkezi olmayan kristaller piezoelektrik olay için en uygun malzeme grubundadır.

 

Elektriksel olarak yüksüz ve yapısal olarak simetri merkezi bulunmayan bir kristale basınç uygulandığında artı ve eksi yüklerin merkezi birbirinden ayrılır ve kristalin karşılıklı yüzeyleri zıt yükle yüklenir. Bu yükler, karşılıklı iki yüzey arasında bir elektrik alan yaratır ve kristalin karşılıklı yüzeyleri arasında ölçülebilir bir potansiyel enerji oluşturur. Piezoelektrik olayı ifade eden bu sürecin tersi olan ters piezoelektrik olay ise kristalin karşılıklı yüzeyleri arasına bir elektrik gerilimi uygulandığında kristal içerisindeki yüklerin birbirini itmesi ve çekmesinden kaynaklanan kristaldeki boyut değiştirmesi olarak tanımlanır. Tıp alanında kullanılan ultrason cihazlarının problarında da işte bu piezzoelektrik olaydan yararlanılır. Yani, ultrason cihazı demek büyük oranda prop demek, prob demek de piezoelektrik olay demektir. Ultrason cihazının temeli piezoelektrik olayın keşfine dayanır.

 

Tüm gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler birçok teknik alanda yüksek yoğunluklu ses teknolojisi yani, ultrasonik ses teknolojisini kullanmaktadır. Ultrasonik ses teknolojisi ürünleri tıp alanında; fizik tedavide; bölgesel incelme ve zayıflamada, kanser tümörleri tedavisinde, göz katarakt ameliyatları ve tedavisinde, idrar yolları tedavilerinde, ekokardiyografi kalp ve damar hastalıları tedavilerinde, safra kesesi taş kırma ameliyatlarında, tekstil, tarım, zararlı hayvan kovucu, alan hesaplamaları, yıkama, temizleme gibi birçok teknolojik alanlarda kullanılmaktadır.

 

İnsanların ses dalgalarını algılaması, saniyede 20.000’den daha az frekans titreşimleriyle sınırlıdır. 0,7 MHz ile 3,3 MHz arasında olan daha yüksek frekans titreşimleri, ultrason tedavisinde kullanılmaktadır. Çoğu ultrason ekipmanı 1 MHz ila 3,3 MHz arasında bir çıkış üretmektedir. Bir ultrason cihazı, ses dalgalarını üretmek için ultrason uygulayıcısındaki transdüser’e etki ederek belirli bir frekansta elektriksel salınımlar üretir. Elde edilen ultrasonik dalga yayılımı, ultrason uygulayıcısından veya tedavi başlığından, bir bağlantı ortamı aracılığıyla hastanın dokusuna iletilir.

 

Ultrasonik enerjinin terapötik kullanımı dünya çapında kabul edilmiştir ve çoğu modern hastaneler ile klinikler kendi fizik tedavi departmanlarında ultrason cihazlarına sahiptir. Ultrason tedavisi başlıca sporla ilgili yaralanmaların/sakatlıkların tedavisinde kullanılmaktadır. Ultrasonun bir başka ortak kullanımı ise, periferik sinirler ve kas iskelet sisteminin romatizmal hastalıklarında ve dolaşım bozukluklarının tedavisi içindir. Ayrıca, ultrasonun çok büyük yara dokulu vücut bölgelerinin tedavisinde son derece etkili olduğu tespit edilmiştir. Tabii en çok da gebe kadınların doğum öncesi kontrollerinde ultrason yoğun bir biçimde kullanılmaktadır.

 

Ultrason tedavinin termal/ısısal, mekanik ve kimyasal etkiler nedeniyle iyileştirme sağladığı günümüzde çok iyi bir şekilde dokümante edilmiştir.

 

Termal/ısısal etkiler, 5 cm veya daha fazla derinlikte derin doku ısıtmasını içermektedir. Ultrasonun termal etkileri, diyatermiden / ısı tedavisinden (yaygın vazodilatasyon üretmek için elektriksel uyarıların kullanılması) farklıdır. Şöyle ki ultrason ışını/huzmesi, sadece ışının enine kesitine yaklaşan küçük bir doku bölgesini ısıtır. Bu ısı etkisi, kaslar, bağlar, sinirler ve kemiklere yoğunlaşmıştır ve orada ultrason ışını/huzmesi bir doku tipinden diğerine geçmektedir.  Mekanik etkiler, en iyi şekilde “mikromasaj” olarak, yani, doku içinde derin bir hareketlendirme işlemi olarak tanımlanabilir. Bu faaliyetin yararı, hasarlı dokularda artan bir dolaşıma neden olmasıdır. Bununla birlikte,  ultrason kolajen lifleri birbirinden ayırabilmekte ve tendonların gerilme mukavemetlerini (tensile strength) değiştirebilmekte ve böylece bunların genişlemelerini artırabilmektedir. Ultrason tedavisinin pek çok fizyolojik yararları bulunmaktadır. Ultrason terapi, iletim hızını kimyasal olarak değiştirerek periferik sinirleri etkiler ( bu klinik olarak   “in suti” olarak gösterilmiştir. “in suti”,  bir hücrenin bulunduğu organda iken incelenmesi işlemidir). Ultrason, kızmızı kan hücreleri zarlarını geçen sodyum (Na+) ve potasyum (K+)’un difüzyonunu değiştirmektedir. Ultrason, tahriş olan dokulardan bazı tuz tortularını/katmanlarını da kaldırabilmektedir.

 

Ultrason tarihine baktığımızda şu gelişmelerin olduğunu görüyoruz. Lazzaro Spalloni 1794 yılında etrafımızda duyulmayan sesin olduğunu ve yarasaların yönlerini bu ses dalgalarıyla bulduklarını ortaya attı. 1800'lerin başında Johan Christian Doppler, sesin hareket ettiğinde frekansının değiştiğini kanıtladı. 1880'de Pierre ve Jacques Currie, piezo-elektrik etkiyi tanımladı ve bir  ultrasonik dönüştürücü geliştirdi. 1938'de Donald Griffin ve Robert Gallambo, yarasanın çıkardığı sesi bir alıcı ses dedektörü ile kaydetti. 1900'lerin başnda SONAR geliştirildi. 1915'de Paul Langevin, sualtı ölçümleri için hidrofonu ve 1928'de Sergei Sokolov ultrasonik hata dedektörünü keşfetti. 1940'larda ultrasonik tıpta kullanılmaya başladı. 1942'de ultrasoniğin görüntüleme amacıyla kullanımı başladı. Günümüzde tıpta teşhis ve tedavide, endüstride ve birçok alanda ultrasonik teknolojisi  yaygın olarak kullanılmaktadır.

 

Ultrasonik, akustik frekans bölgesinin bittiği 20 kHz'den başlayıp birkaç GHz frekansına kadar olan aralığı kapsar. Ultrasonik dalga, enerjisini ilerleyerek iletir. Ultrasonik güç, yöne bağımlı olmaksızın bir saniyede toplam iletilen dalganın enerjisi olarak tanımlanır ve Watt (kg m2/s3) birimi ile ölçülür. Ultrasonik Güç, "Şiddet x Alan" olarak ifade edilir. Şiddet, dalganın büyüklüğünü tanımlar. Ultrasonik güç, birimi SI Birimler isteminde türetilmiş birim olarak tanımlanmıştır. Bu nedenle temel SI birimlerinden farklı olarak CIPM tarafından beyan edilen bir tanıma sahip değildir.

 

Not : Bu yazının hazırlanmasında çeşitli internet kaynaklarından yararlanılmıştır.