-

האולטרסאונד של הדברים הקטנים

חוקרים מהטכניון פיתחו גלאי אופטי זעיר, שיאפשר לחקור עצמים קטנים במיוחד בעזרת גלי קול
יפתח דיבון, מכון דווידסון לחינוך מדעי
07 בספטמבר 2022
06:14
עודכן ב 08:07

מאז פיתוחה לפני למעלה משישים שנה, קנתה לה טכנולוגיית האולטרסאונד – שיוצרת תמונה תלת-ממדית של רקמות רכות בגוף האדם בעזרת גלי קול שתדירותם עולה על יכולת השמיעה האנושית – מקום של כבוד בעולם ההדמיה הרפואית. בדיקות אולטרסאונד הן זמינות, בטוחות ולא פולשניות; בזכות היתרונות האלה נעשה בהן שימוש בענפי רפואה רבים, כמו קרדיולוגיה, אורתופדיה וגינקולוגיה. הודות לפיתוח ישראלי חדש, ייתכן שבעתיד צפויים שימושים רפואיים נוספים בטכנולוגיה זו.

גלי קול הם שינויים מחזוריים בלחץ של התווך שבתוכו הם מתקדמים, למשל אוויר או מים. בכל פעם שגל קול המתקדם בחומר בעל צפיפות מסוימת נתקל בחומר שצפיפותו אחרת – הוא מוחזר. התכונה הזו מאפשרת לבנות תמונה תלת-ממדית של עצמים באמצעות ניתוח זמני ההחזרה של גלי הקול מהעצמים ועוצמתם.

כדי למדוד את גלי הקול שמוחזרים ממושא הבדיקה משתמשים בדרך כלל בגבישים פיאזואלקטריים – גבישים שמפיקים מתח חשמלי בתגובה ללחץ מכני חיצוני. כשגלי קול פוגעים בַּגבישים הם יוצרים התכווצויות והתרחבויות, ואלה מתורגמות למתח חשמלי שאפשר לפענח ולהמיר לתמונה. ככל שמשתמשים בגביש קטן יותר רגישותו פוחתת, כך שקשה למדוד עצמים קטנים במיוחד בשיטה הזאת. אך ייתכן שהקושי הזה עשוי להיפתר: קבוצת חוקרים ישראלים, בהובלתו של אמיר רוזנטל מהטכניון, פיתחה לאחרונה גלאי אופטי זעיר שמאפשר גם הוא, בדומה למכשירי האולטרסאונד הרפואיים, למדוד גלי קול ולהפיק מהם מידע. בעזרת הגלאי החדש אפשר להבחין בעצמים קטנים מ-20 מיקרומטרים. 

מגלי אור לגלי קול

כדי למדוד את גלי הקול עיצבו החוקרים שבב מבוסס סיליקון כך שיכיל מבנה המכונה מָהוֹד (Resonator) אופטי. מהוד אופטי פועל כמעין מסנן של גלי אור – כשמעבירים דרכו גלי אור הוא מאפשר מעבר רק לחלקם, בהתאם לאורך הגל שלהם. מבנה המהוד מכתיב איזה אורך גל יעבור דרכו בצורה מיטבית. כשגל קול פוגע במהוד אופטי כזה, הוא משנה מעט את מבנה המהוד, שבתורו משפיע על גלי האור שיכולים לעבור דרכו. במילים אחרות, כשמשווים בין האור שנכנס למהוד ובין האור שיצא ממנו, אפשר לקבל מידע על אופיו של גל הקול שפגע במהוד. 

את גל האור שנכנס לתוך המהוד מייצרים באמצעות לייזר, כיוון שהוא מפיק אור ממוקד בעל אורך גל יחיד. אפשר להזיז את הגלאי באופן מבוקר מעל העצם שאנו רוצים למדוד את החזרי גלי הקול ממנו, וכך לסרוק את כולו וליצור הדמיה תלת-ממדית שלו. 

כדי למדוד את גלי הקול, תחילה צריך שיהיו כאלה. החוקרים השתמשו באור כדי לעורר גלי קול. כשמפעילים לייזר בפעימות קצרות על עצם הוא מתחמם ומתקרר, ולכן מתרחב ומתכווץ. התנודות האלה יוצרות גלי קול. החוקרים הדגימו את יכולות גלאי האולטרסאונד שלהם על כלי דם באוזניו של עכבר, והראו שהם מצליחים להבחין בכלי דם שרוחבם כ-35 מיקרומטרים.

לדברי החוקרים, בזכות ממדיו הקטנים של הגלאי שפיתחו, בעתיד אפשר יהיה לשלב אותו באנדוסקופיה – טכניקה שבמסגרתה מכניסים לגוף הנבדק צינור המכיל סיב אופטי ומצלמה לצורך ביצוע בדיקות – וכך לפתח כלי בדיקה רפואי נוסף.