История узи в акушерстве. Новейшее УЗИ – можно ли так говорить
- " onclick="window.open(this.href," win2 return false >Печать
УЗИ, как диагностический метод в медицине, относительно молодое исследование. В исторической перспективе любое УЗИ - новый метод. Но технологии так быстро переходят из лабораторий даже в консервативную медицинскую практику, что 50 лет кажутся огромным сроком, за который в медицину пришло не только УЗИ, но и много других технологий.
Первые опыты локации человека
Основу создания и применения современного УЗ-оборудования положило открытие (примерно 1880 г.) пьезоэлектриков учеными, братьями Пьером и Жаком Кюри. Однако медицинское назначение ультразвук получил только в 50-х годах прошлого века. Так, Инге Эдлер и Карл Хеллмут Герц стали пионерами в области неинвазивного исследования сердца - эхокардиографии (ультразвуковой кардиографии). В 1955 году Яном Дональдом и доктором Барром были проведены первые исследования опухолей, а инженер Том Браун при содействии того же Яна Дональда создал ультразвуковой прибор Mark 4, который умел отличать твёрдые и кистозные опухоли.
Ультразвук - это упругие колебания звуковых волн с частотами, выше диапазона слышимости человека (20 кГц), распространяющиеся в газах, жидкостях и твёрдых телах.
Одним из самых первых применений звукового сканирования человека стали опыты Холмса и Хоура (США), они погружали пациента в бак с дегазованной водой и пропускали ультразвук вокруг оси 360 градусов, что и стало первой томограммой.
Впрочем, в период 40-50 г.г. XX века целый ряд врачей из Европы и США вели поиски применения ультразвука для диагностики патологий. Среди них английский хирург J. Wild, американец G. Ludwig, и признанный пионер УЗИ - австрийский невролог, психиатр K.T. Dussik.
На пути к современной УЗИ-диагностике
Ранние УЗИ-приборы были громоздкими, требовали дополнительного оборудования и особого размещения пациента перед прибором. А первый компактный и ручной сканер появился лишь в 1963 г. в США.
Это и стало началом новой эры становления популярных в наше время статических УЗ-аппаратов.
Спустя всего три года официальный медицинский орган AIUM начал проводить аккредитацию ультразвуковой практики. Для получения лицензии на этот новый диагностический метод в акушерстве и гинекологии, врач-соискатель должен был осуществлять интерпретацию как минимум 170 УЗ-снимков в год.
В 1966 г. Вена принимала первый Всемирный конгресс УЗ-диагностики в медицине. Спустя десятилетие было основано Британское медицинское общество ультразвука (British Medical Ultrasound Society, BMUS). Так УЗИ вошло в повседневную жизнь и обычную медицинскую практику.
Следует пояснить, что диагностические приборы делились на два типа: на принципе гидролокации A-режим УЗ-волн, и принципе радиолокации, B-режим.
УЗИ в СССР
В СССР работы по применение ультразвука в медицине практически не отставали от мирового уровня. Так, в 1954 г. на базе Акустического института АН СССР было создано отделение ультразвука под руководством профессора Л. Розенберга.
Спустя пять-шесть лет НИИ медицинских инструментов и оборудования СССР выпустил экспериментальные аппараты Ekho-11, Ekho-12, Ekho-21, UZD-4. Более поздние модели: UTP-1, UDA-724 и Obzor-100 датируются началом 70-х годов.
Это диагностическое оборудование работало в офтальмологии, неврологии и кардиологии, однако, указаний к широкому внедрению не последовало, что отбросило эту отрасль на много лет назад. Лишь с конца 80-х годов УЗД начала постепенно внедряться в советскую медицину.
Основы УЗИ 21-го века
70-80 годы прошлого века стали бурным этапом развития УЗИ-диагностики. Росли не только списки проводимых исследований и выявляемых диагнозов, но и точность исследований.
В 1972 г. с помощью В-режимного УЗИ английский профессор Кэмпбэл на сроке 17 недель диагностировал анэнцефалию плода. Это положило начало раннему выявлению патологий, которые явились показанием к прерыванию беременности.
В 1977 австриец C. Kretz разработал УЗ-аппарат Combison 100. Это был циркулярный ротационный сканер, работающий в режиме реального времени для УЗИ органов брюшной полости и других частей тела.
Доктор медицины P. Jeanty в 1984 г. составил очень нужную таблицу всех размеров костей плода при развитии. А помогли ему в этом исследования J. Hobbins, который с помощью сканера реального времени измерил длину бедра плода, и работы G. O’Brien и J. Queenan, определивших наличие такой патологии развития плода, как скелетная дисплазия.
В этот же период был усовершенствован и получил широкое применение такой точный метод, как допплер-ультразвуковое исследование.
В 1975 г. была разработана 128-точечная мультиимпульсная допплер-система, в которой скорость и направление кровотока отображались на экране в цвете. Но уровень технологий того времени не позволил ее массовое применение, поэтому активное развитие допплер-УЗИ как медицинского диагностического метода отложилось до 80-х годов.
В целом рост качества УЗИ продолжался в течение 80-90 годов благодаря бурному развитию микропроцессоров и портативных компьютеров. Согласно статистике FDA, в США менее, чем за 10 лет, с 1976 по 1982 г. частота использования УЗД в медицинских учреждениях возросла с 35 до 97%.
В результате этого в конце 90-х годов в странах Европы и США УЗИ стало стандартным исследованием, с помощью которого:
- определяли срок беременности,
- исключали двойню,
- выявляли пороки развития плода.
Новейшее УЗИ - трехмерное УЗИ
Еще в далеком 1992 году была опубликована книга японского врача- исследователя об УЗИ в акушерстве и гинекологии, в которой целый раздел был посвящен трехмерному сканированию. Это не удивительно, ведь именно в Японии в тот период очень широко внедрялись компьютерные методы моделирования и обработки. Но на самом деле эти снимки были сделаны с помощью двумерного УЗ-аппарата. А вот исследователи из США предложили алгоритм действительно трехмерного сканирования. Был разработан и реализован сканер Combison 330, с помощью которого визуализировали лицо, мозжечок и шейный отдел позвоночника плода.
Зачем понадобилась трехмерная УЗ-диагностика? Дело в том, что ряд аномалий развития плода: расщепление губы, полидактилию, микрогнатию, пороки развития уха, позвоночника и других патологий развития, можно выявить по только по внешнему виду плода. Поэтому трансвагинальное трехмерное УЗИ позволило расширить возможности диагностического метода ранних этапов развития плода.
Работы испанского клинициста Bonilla-Musoles показали, что точность диагностики злокачественных новообразований яичника, определенных с помощью трехмерного УЗИ, составляет почти 100%. Цветное допплеровское трехмерное УЗИ позволило визуализировать кровоток опухолей и поэтому стало действенным методом диагностики рака шейки матки и яичников.
Как видно, за несколько десятилетий УЗИ в медицине претерпело кардинальные изменения: от простой констатации факта наличия жизни в полости матки до точных измерений размеров плода; от определения морфологии плода до оценки его кровотока и динамики развития. УЗИ и сейчас остается молодым, растущим методом диагностики, про который можно сказать «новейший».
Будьте здоровы и чаще улыбайтесь!
Один из соавторов блога, в числе прочего, трудится научным редактором нового портала о науке Indicator.Ru. Сегодня на сайте вышел материал об УЗИ с большой исторической частью, написанной Алексеем Паевским. Мы с удовольствием делимся этим материалом.
Немного истории
Прежде чем рассказать об истории появления ультразвукового исследования, нужно упомянуть два важнейших открытия, без которых этого метода не было бы.
Первым нужно вспомнить выдающегося итальянского естествоиспытателя и натуралиста Ладзаро Спалланцани, жившего в XVIII веке. Как и многие ученые того времени, он был весьма многосторонен: заложил основы современной метеорологии и вулканологии, провел процедуру ЭКО у лягушек и искусственного осеменения у собак. Кроме того, Спалланцани показал, что, если заткнуть летучей мыши уши, она не сможет ориентироваться в пространстве. Ученый предположил, что рукокрылые животные испускают некий не слышимый нами звук, улавливают его эхо и на основании этого ориентируются в пространстве. Так был открыт ультразвук.
Второе открытие было сделано человеком, прославившимся своей женой и исследованием радиоактивности, - нобелевским лауреатом Пьером Кюри. В 1880 году вместе со своим старшим братом Жаком он открыл эффект возникновения электричества в кристаллах, которые сжимаются, - пьезоэлектрический эффект. Именно он является основой детекторов ультразвука в аппаратах УЗИ.
Дальше пришлось ждать 1941 года, когда австрийский невролог Карл Фредерик Дюссик в сотрудничестве со своим братом Фредериком сделал первое ультразвуковое исследование мозга. Дюссик «обнаружил» опухоль и в 1947 году опубликовал свой метод под названием гиперфонографии. Правда, через пять лет оказалось, что Дюссик принял за опухоль отражение ультразвука от костей черепа.
Англичанин Джон Уайлд первым использовал УЗИ для определения толщины тканей кишечника в 1949 году. За эту работу его назвали «отцом медицинского УЗИ». Впрочем, «отцов УЗИ» было много. Как и вариантов ранних аппаратов: для некоторых исследований человека погружали в ванну с водой, для других - на несколько часов прижимали к пластиковой кювете. Было и много пионерских работ. Так, в 1958 году впервые при помощи УЗИ определили размер головки плода, чем положили начало акушерскому применению ультразвука.
Первый же современный аппарат, в котором сканер и приемник ультразвука находились в руке врача, появился в 1963 году в США. С тех пор началась эпоха современного УЗИ. Медицинскую аккредитацию на такие исследования стал выдавать с 1967 года Американский институт ультразвуковой медицины (AIUM): чтобы получить разрешение на практику, врачу-гинекологу (а первые клинические применения начались именно в акушерстве и гинекологии) приходилось выполнять не менее 170 исследований в год. Увы, СССР в этом сильно отставал: несмотря на первые диагностические опыты, выполненные еще в 1960 году, в практику советской медицины УЗИ стало внедряться лишь в конце 1980-х годов.
О том, каким было первое оборудование для УЗИ, как оно развивалось, а также какие возможности исследования внутренних органов этот метод диагностики предлагает сейчас, рассказал Николай Кульберг, руководитель отдела разработки средств медицинской визуализации ГБУЗ «Научно-практический центр медицинской радиологии ДЗМ», кандидат физико-математических наук.
От 1D к 2D
Первые ультразвуковые диагностические приборы появились в середине ХХ века. По современной классификации их можно было назвать 1D-УЗИ. Это значит, что на выходе врач получал не «картинку» исследуемого органа, а график, похожий на тот, что получается при работе сейсмографа. Такой тип визуализации данных называется «А-режимом», или «А-scan ultrasonography».
Интенсивность ультразвука, измеренного на разных глубинах тканей
Николай Кульберг
Датчик прибора по форме напоминал карандаш, а на торце «карандаша» находился плоский пьезокерамический чувствительный элемент. Приложив этот элемент к телу пациента, можно было получить информацию о столбике тканей по направлению датчика. Результат исследования (А-линия, A-Line) отображался на экране осциллографа примерно так, как это показано выше. Впрочем, даже такие невыразительные, абстрактные графики могли дать врачу очень важные диагностические сведения: например, на данном рисунке видно, как измеряется интенсивность ультразвука, отраженного на разных глубинах тканей. Так, на глубинах от 0 до 3 см звук отражается хорошо, кроме того, отражающие слои есть и на глубинах 5 и 6 см. Соответственно, зная строение исследуемого органа, врач может предполагать, от чего именно отражается ультразвук.
В 70-е годы ХХ века в конструкцию «одномерного» датчика было внесено важное изменение: теперь чувствительный элемент можно было поворачивать с помощью шагового электродвигателя, так как он был закреплен на шарнире. Вращение происходило внутри небольшой буферной камеры, заполненной жидкостью. Эту камеру прикладывали к телу пациента. Вращающийся датчик получал последовательно информацию из веерообразно расходящихся «лучей». Если полученные яркости отобразить на экране монитора, можно было получить двухмерное изображение тканей пациента, находящихся в одной плоскости. Данный метод исследования стали называть 2D-УЗИ, но более традиционно такую визуализацию называют «B-режим» (B-scan ultrasonography). Пример изображения внутреннего органа (левой почки) в В-режиме показан ниже. Если провести вертикальную линию по оси симметрии этого рисунка и построить график, то в результате получится линия, показанная на предыдущем рисунке (А-режим).
УЗИ левой почки
Николай Кульберг
Через некоторое время конструкция датчиков для двухмерного УЗИ была значительно усовершенствована. Вместо вращающейся головки научились применять так называемые фазированные датчики: поверхность такого датчика состоит из нескольких десятков или сотен элементов, каждый из которых излучает и принимает ультразвук отдельно от других. Здесь для изменения направления луча двигать ничего не надо - все управление осуществляется с помощью подачи электрических импульсов на разные элементы датчика с разными задержками. Сигналы, принятые разными элементами, также обрабатываются отдельно друг от друга. Благодаря этому получаются очень качественные B-изображения.
На этом принципе работает большинство современных ультразвуковых приборов. Основные типы датчиков: линейный, конвексный, секторный - представляют собой различные варианты фазированных решеток.
Тайна третьего измерения
Но если можно, пользуясь фазированным датчиком, отклонять луч в пределах одной плоскости, почему бы не сделать то же самое для перпендикулярной плоскости? Это и будет означать переход к третьему измерению. Этот переход произошел на рубеже 1990-х и 2000-х годов. Но здесь разработчики приборов УЗИ столкнулись со значительными техническими трудностями.
Представим, что для сканирования в одной плоскости требуется разделить датчик на 100 элементов. Сколько элементов понадобится для сканирования по еще одному измерению? Оказывается, 1002, то есть десять тысяч. К каждому такому элементу нужно подвести отдельный провод. Получится кабель такой толщины, что врач просто не сможет удержать его в руке.
Оценив эту трудность, разработчики на первых порах отказались от внедрения в практику двухмерных фазированных датчиков и пошли по хорошо известному пути механического сканирования. Снова в составе «флагманских» моделей приборов появились шарниры и шаговые двигатели, на которых вращался уже сложный фазированный датчик. Сканирование в одной плоскости было электронным, в другой - механическим. Такие датчики до сих пор можно встретить, они продаются в том числе и с новыми приборами.
Когда первый трехмерный датчик стал реальностью, обнаружилась еще одна трудность, связанная со временем получения одного объемного изображения. Скорость звука в теле человека примерно 1,5х105 см/с. Чтобы получить данные с глубины 15 см, приходится ждать 0,0002 секунды. На первый взгляд, это совсем немного. Тем не менее, когда мы переходим к двухмерному сканированию, нужно сделать порядка сотни таких одномерных сканов. Таким образом, один кадр B-изображения можно получить за две сотых секунды, то есть частота кадров будет не более пятидесяти кадров в секунду. А чтобы получить сотню B-сканов, нужных для построения объема, придется ждать уже две секунды. Повышение скорости сканирования стало предметом напряженных изысканий разработчиков во всем мире. Так, пользуясь электронным сканированием только по одной координате удалось повысить скорость сканирования примерно в десять раз за счет так называемого многолучевого сканирования, получаемая при этом частота составляла 5 объемов в секунду. Это было уже полноценное 3D-УЗИ, ведь, пользуясь этим способом, можно получать реалистичные трехмерные изображения. На рисунке ниже показан пример трехмерной реконструкции плода.
Пример трехмерной реконструкции плода
ginekology-md.ru
Спасти ситуацию помогли двухмерные фазированные датчики. Чтобы уменьшить число проводов в кабеле датчика, внутрь самого датчика поместили целый высокопроизводительный компьютер, который «сжимает» полученные данные и пересылает их в закодированном виде по относительно тонкому кабелю. Благодаря этому удается получать частоту несколько десятков «объемов» в секунду. А этого уже достаточно, например, для полноценной визуализации сердца в реальном времени. Поскольку к трем пространственным измерениям добавляется полноценное четвертое, время, эти технологии получили название 4D-УЗИ. С их помощью можно строить полноценное изображение клапанов сердца в режиме реального времени. Его примери приведен ниже.
А что на практике?
Сегодня процедура ультразвукового исследования, в том числе в формате 3D и 4D, проводится достаточно быстро и эффективно: внутренние органы можно увидеть с разрешением менее миллиметра. «Разрешение УЗИ системы зависит от рабочей частоты датчика и глубины, на которой находится исследуемый орган, - рассказывает Николай Кульберг. - Для абдоминальных исследований на частоте 3,5 МГц разрешение на средней глубине десять сантиметров составляет примерно три миллиметра. Для щитовидной железы датчик частотой 7,5 МГц может дать разрешение порядка полумиллиметра на глубине три сантиметра. Кардиодатчик на частоте 3 МГц и на глубине десять сантиметров покажет разрешение пять миллиметров». Что касается скорости получения изображений, то современные УЗИ-аппараты позволяют делать это за считанные минуты.
«На современных УЗ-аппаратах Philips c технологией xMATRIX получить 3D/4D изображение можно за 2-4 секунды, на приборах с механическими датчиками - за 10-14 секунд. Поиск удобной области сканирования, обработка полученных результатов и экспорт изображений занимают дополнительное время, таким образом, исследование может длиться до 20-30 минут», - рассказала Евгения Добрякова, старший специалист подразделения Philips «Ультразвуковые системы».
Впрочем, несмотря на все успехи в развитии УЗИ-аппаратов, предел совершенства их работы еще не достигнут. «О путях улучшения двумя словами сказать не получится, потому что это предмет очень сложных научных изысканий в разных областях - от физики и электроники до цифровой обработки сигналов. Здесь постоянно трудятся тысячи исследователей, и каждый год им удается показать какие-то заметные улучшения», - рассказывает Николай Кульберг. Кроме того, разработчики продолжают совершенствовать и аппараты для двухмерного УЗИ, так как далеко не всем врачам нужна объемная картинка.
Помимо совершенствования УЗИ, перед учеными стоят и иные задачи. «Сейчас на повестке дня исследователей во всем мире стоит вопрос создания так называемой УЗ-томографии (УЗТ) по аналогии с хорошо известной компьютерной томографией (КТ) на основе рентгеновского сканирования образца по отдельным слоям, - рассказывает Владимир Кукулин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела физики атомного ядра и главный научный сотрудник лаборатории теории атомного ядра НИИЯФ МГУ. - Создание УЗТ было бы поистине революционным шагом в медицине, сейсмологии и в других сферах, так как позволило бы заменить во многих случаях нежелательное рентгеновское облучение тела, причем многократное, на простое и совершенно безвредное УЗ-сканирование. Однако развитие УЗТ требует очень большого объема вычислений, которые нужно произвести за относительно небольшое время медицинского обследования пациента. Сделать это можно, только применив принципиально новую технологию вычислений на основе сверхбыстрого графического процессора. Эти работы сейчас только разворачиваются.
Второе чрезвычайно интересное новое направление - технология уничтожения опухолей и разрезания внутренних тканей тела с помощью направленного ультразвука. Это направление сейчас формируется под названием хирургии XXI века».
Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, оно своим движением то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются от колеблющегося тела во все стороны и образуют звуковые волны. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.Частоты 16 - 18000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми, например писк комара »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими ниже и выше этого диапазона - инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование неслышимых звуков было обнаружено с развитием акустики в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.
Нижней границей ультразвукового диапазона называют упругие колебания частотой от 18 кГц. Верхняя граница ультразвука определяется природой упругих волн, которые могут распространяться только при том условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул (в газах) или межатомных расстояний (в жидкостях и газах). В газах верхний предел составляет »106 кГц, в жидкостях и твёрдых телах »1010 кГц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 106 кГц. Более высокие частоты принято называть гиперзвуком.
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:
- Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
- Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
- Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
- В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
- Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.
История ультразвука. Кто открыл ультразвук.
Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.
В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.
Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон . Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.
В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.
Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством , применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.
Получение ультразвука.
Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:
1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.
2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.
Кроме преобразователей, основанных на пьезоэффекте, для получения мощного ультразвукового пучка используются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция - это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке. Данное явление, открытое в 1842 г. Джеймсом Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшей интенсивности ультразвукового излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях. В частности в , выпускаемых нашим предприятием.
Применение ультразвука.
Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:
- получение информации о веществе
- воздействие на вещество
- обработка и передача сигналов
Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:
- изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
- изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
- контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
- определение концентрации растворов
- определение прочностных характеристик и состава материалов
- определение наличия примесей
- определение скорости течения жидкости и газа
Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.
Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.
На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.
Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:
- гидролокация
- неразрушающий контроль и дефектоскопия
- медицинская диагностика
- определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
- определения размеров изделий
- визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография
Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.
Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.
Воздействие ультразвука на вещество.
Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред. В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:
- ультразвуковая сушка
- горение в ультразвуковом поле
- коагуляция аэрозолей
В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация . На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:
- ультразвуковая очистка
- металлизация и пайка
- звукокапиллярный эффект — проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины. Применяется для пропитки пористых материалов и имеет место при любой ультразвуковой обработке твёрдых тел в жидкостях.
- кристаллизация
- интенсификация электрохимических процессов
- получение аэрозолей
- уничтожения микроорганизмов и ультразвуковая стерилизация инструментов
Акустические течения — один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.
При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация . В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука - звуколюминесценция , и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры - звукокапиллярный эффект .
Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств . Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.
В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.
Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.
Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:
- уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
- снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
- упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
- Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке
Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:
- размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
- резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
- снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
- шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга
Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.
Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции - т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.
Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.
Где применяется ультразвук - сводная таблица
Наше предприятие, ООО «Кольцо-энерго», занимается производством и монтажом акустических противонакипных устройств «Акустик-Т». Устройства, выпускаемые нашим предприятием, отличаются исключительно высоким уровнем ультразвукового сигнала, что позволяет им работать на котлах без водоподготовки и пароводяных бойлерах с артезианской водой. Но предотвращение накипи - очень малая часть того, что может ультразвук. У этого удивительного природного инструмента огромные возможности и мы хотим рассказать вам о них. Сотрудники нашей компании много лет работали в ведущих российских предприятиях, занимающихся акустикой. Мы знаем об ультразвуке очень много. И если вдруг возникнет необходимость применить ультразвук в вашей технологии,
УЗИ - ультразвуковое исследование - метод диагностики, который на сегодняшний день является одним из основных инструментов современной медицины и применяется практически во всех её областях. Будучи довольно молодым методом, УЗИ диагностика совершила настоящий переворот, обеспечив врачей мощным, быстрым, безопасным, информативным и достоверным инструментом обследования пациентов для выявления широкого круга заболеваний.
Но как ультразвук попал в арсенал медиков и что этому предшествовало? Об этом и расскажет этот небольшой обзор.
Открытие ультразвука и пьезоэлектриков
С давних времён учёные-исследователи в области физики, математики, материаловедения, позднее в электронике, пытались проникнуть за грань материального.
Ещё Леонардо да Винчи в XV веке погружал в жидкость трубку, пытаясь определить движение и скорость движущихся навстречу друг другу кораблей. Так со временем появился ультразвук, которым стали пользоваться во многих сферах, с том числе в медицине, сначала в диагностике, а затем и в лечении. Что же такое ультразвук? Ультразвук – это упругие колебания с частотами выше диапазона слышимости человека (20 кГц), распространяющиеся в виде волны в газах, жидкостях и твёрдых телах или образующее в ограниченных областях этих сред стоячие волны.
В XIX веке ультразвук произвёл настоящий бум в среде исследователей, объединив усилия учёных различных областей. Например, швейцарский физик Жан – Даниел и математик Чарльз Штурм, занимаясь проблемами скорости звука в воде, внесли немалый вклад в развитие гидролокатора. Учёный Калладон в результате своих экспериментов сумел определить скорость звука в воде. Благодаря этому родилась гидроакустика.
В конце XIX века, в 1877 году, Джон Уильям Струтт разработал теорию звука, которая и явилась основой науки об ультразвуке. Тремя годами позже открытие учёных Пьера и Жака Кюри привело к развитию ультразвукового преобразователя. Их открытие пьезоэлектриков стало основой современного ультразвукового оборудования.
В XX веке исследования в области ультразвука были продолжены. Благодаря «сверхзвуковому рефлектоскопу», разработанному в первой половине 20 века учёными Спроулом, Фаярстоуном и Спер стало возможным обнаруживать дефекты в металле, что нашло своё применение в промышленности.
Во второй половине XX века учёные – исследователи Генри Хугес, Кельвин, Боттомли и Баярд изготовили металлический дефектоскоп, а Том Броун с Яном Дональдом разработали первую в мире контактную ультразвуковую машину. Кроме этого, Яну Дональду принадлежит заслуга в исследовании клинических областей использования ультразвука.
Гидролокация
Вначале следует пояснить, что же такое гидролокатор. Гидролокатор – это прибор, который обнаруживает объекты, находящиеся под водой, при помощи эха. Гидролокационная установка обладает приёмником, который принимает эхо на себя и информирует о предметах, находящихся под водой. Таким образом, благодаря учёным Элру Бэму (Австрия-1912г.), Левису Ричардсону (Англия – 1912 г.), Реджинальду Фессендену (США - 1914 г.), создавшим в разное время и в разных странах эхолоты – гидролокаторы, стало возможным обнаружение айсбергов, что спасло тысячи человеческих жизней. Гидролокационные установки нашли своё применение в военной промышленности (например, для обнаружения подводных лодок), в речной и морской (для определения возможных препятствий, затонувших кораблей), в тяжёлой промышленности (для поисков залежей нефти) и т.д.
Выдающееся открытие в 1928 году в области ультразвукового дефектоскопа принесло признание русскому учёному С. Я. Соколову.
Первые опыты применения ультразвука в области медицины
Широкое применение ультразвук нашёл в области медицины как метод диагностики - УЗИ. По словам Яна Дональда, сказанным в 70-десятые годы, «медицинский гидролокатор весьма внезапно вырос и достиг совершеннолетия; фактически, его всплеск роста в пределах последних нескольких лет был почти взрывом». А начиналось это в далёкие пятидесятые годы 20 века. Американцы Холмс и Хоур, используя достижения в технических областях, первыми сканировали человека, погружая его в бак, изготовленный из башни от самолёта В29, с дегазованной водой, пропуская ультразвук вокруг оси 360 градусов, что и стало первой томограммой.
Открытие Йаффе привело к тому, что Тернер из Лондона, Лекселл из Швеции и Казнер из Германии использовали ультразвук для энцифалографии срединной линии головного мозга в целях обнаружения гематом, полученных в результате травмирования.
Инге Эдлер и Карл Хеллмут Герц стали пионерами в области эхокардиографии (ультразвуковой кардиографии).
В 1955 году Яном Дональдом и доктором Барром были проведены первые исследования опухолей, твёрдой и кистозной. При поддержке Яна Дональда инженер Том Браун создал прибор Mark 4, который дифференцировал твёрдые и кистозные опухоли, чем сумел спасти человеческую жизнь.
Интерес к УЗИ и ультразвуковой технике постоянно растёт, так как он проникает во все сферы человеческой деятельности.
О существовании в природе ультразвуковых колебаний, которые находятся за пределами слышимости человеческого уха, известно было давно, эти колебания называются ультразвуковыми волнами. Открытие этих волн связано с именем итальянского ученого Lazzaro Spalanzani, который предположил, что способность летучих мышей летать в темноте и не наталкиваться на препятствия зависит не от зрения, а от звуковых вибраций, которые человек не способен слышать. Эту гениальную мысль через 250 лет своими исследованиями подтвердили Galambos (1942) и Grifin (1944).
Прогрессу использования природы ультразвука послужили открытия Galtona (1880), братьев Pierrl и Jagne, Curie, которые описали пьезоэлектрическое явление - возникновение свободного заряда на поверхности некоторых кристаллов при их механической деформации. Это открытие через год было теоретически обосновано Lipman, который обнаружил, что при воздействии электрическим зарядом на поверхности кристалла происходит его деформация. Этими открытиями была заложена основа для создания аппаратов, которые генерируют УЗ волны высокой частоты. Долгие годы этим открытиям уделялось мало внимания. Интерес возрос в связи с применением ультразвука в медицине.
В 1940 г. George Ludwig, Douglas Howry и John Wild, независимо друг от друга, показали, что УЗ сигналы, посланные в организм, возвращаются обратно к тому же датчику, отражаясь от поверхностей структур разной плотности.
Хотя ультразвук в медицине используется не так давно, к настоящему времени он с успехом применяется в ряде ее областей с лечебной и диагностической целью. Вначале УЗ преимущественно применялся в терапии благодаря механическим воздействиям, вызывающим перемещения УЗ давления в тканях, и тепловому эффекту, который возникает внутри тканей, приводя к физико-химическим действиям. УЗ терапия оказалась особенно эффективной при некоторых патологических состояниях (болезнь Бехтерева, невралгии, невриты, воспаления суставов и другие воспалительные процессы).
Оказалось, что наряду с положительным эффектом его применение абсолютно противопоказано при лечении паренхиматозных органов (печени , селезенки, почек , легких, сердца , головного мозга, щитовидной железы и др.).
Дозированное применение ультразвука в терапии объясняется двумя причинами:
Ультразвуковое поле пронизывает ткань при лечении неоднородно,
Неоднородность ультразвукового поля еще увеличивается вследствие неоднородности необлученных тканей.
Разность тканей, разделенных фасциями, перегородками, является причиной многочисленных неоднородных отражений, влияющих на эффективность ультразвукового поля. Эти особенности УЗ поля и тканей должны учитываться при выборе интенсивности и времени облучения ультразвуком для получения максимального лечебного эффекта. Верхняя граница интенсивности терапевтической дозы 3 Вт/см2.
Большая заслуга применения ультразвука в терапии принадлежит Pohlmann (1939, 1951). Им также изучено биологическое влияние ультразвука средней и высокой интенсивности. Первичность применения УЗ с лечебной целью связана с использованием в производстве терапевтической ультразвуковой аппаратуры сравнительно простых УЗ генераторов.
Первые попытки использовать ультразвук с диагностической целью связаны с именем венского невропатолога Karl Dussik (1937, 1941, 1948), которому при помощи двух датчиков, расположенных один против другого в области головы, удалось лоцировать опухоль мозга. Несмотря на определенные успехи, из-за сложности интерпретации результатов метод был подвергнут критике и на некоторое время забыт. В 1946 г. Denier попытался получить изображения сердца, печени и селезенки с помощью УЗ. Keidl (1950), используя ультразвуковой датчик с частотой 60 КГц, определил объем сердечной мышцы, измеряя поглощение УЗ в сердечной мышце и легочной ткани, однако результаты оказались неубедительными.
Этап серьезного внедрения ультразвука в диагностику начинается с разработки импульсного эхометода и получения одномерного изображения (А-метод). И хотя первые сообщения о возможности получения одномерного УЗ изображения появились в 1940 г. (Gohr и Vederkind), практически метод стал применяться только через 10 лет, когда Ludwig и Strutners удалось выявить камни в желчном пузыре и инородное тело, вшитое в мышечную ткань собаки. Они предположили, что этим методом можно обнаружить и опухоли. Wild и Reid (1952), обследуя молочные железы, установили, что опухолевая ткань отражает больше, чем здоровая ткань, тем самым доказав эффективность применения метода в диагностических целях.
Эти обнадеживающие данные об эффективности метода способствовали его широкому внедрению в различных областях клинической медицины. Шведские ученые Edler и C. Hertz (1954) являются основоположниками эхокардиографии, хотя долгое время из-за несовершенства аппаратуры и ошибочной трактовки регистрируемых структур сердца метод не находил клинического применения. Публикации немецких ученых S.Tffert и соавт.(1959) об успешной диагностике опухолей предсердия, затем американских ученых G. Joyner (1963), R.Gramiak (1969) и многих других показали, что информация о здоровом и больном сердце, полученная бескровным путем, не приносит вреда и беспокойства больным.
Фото: likesuccess.com
Leksell (1955) разработал основы эхоэнцефалографии и был первый, кому удалось при помощи смещения срединного эхо лоцировать гематому мозга. Эта методика получила дальнейшее развитие в работах S. Lepsson (1961), C. Grossman (1966), W. Schifer и соавт. (1968) и др. Одномерный УЗ метод в офтальмологии впервые в 1956 г. применили Mundt и Hughes, а годом позже Oksala и Lehting. Начало внедрения этого метода в акушерскую и гинекологическую практику связано с именами шотландских исследователей I. Donald, J. Mac Vicar и E. Brown (1961). Первые измерения головки плода УЗ методом осуществил I. Donald. Они же положили начало применению двухмерного метода (В-метод) в акушерстве и гинекологии. Разработка двухмерного способа получения изображений стала крупным достижением в развитии и усовершенствовании УЗ аппаратуры.
Эхокардиограмма сердца, на изображении видны предсердия и желудочки. Фото: википедия.орг.рф
Впервые в клинических условиях независимо один от другого метод применили Howry и Bills, Wild и Reid (1955-1956). Возможности использования УЗ в диагностических целях в гастроэнтерологии приведены G. Baum и I. Greenwood(1958) при описании ими двухмерного метода (В-метода).
Дальнейшее усовершенствование УЗ диагностических приборов связано с работами Kossoff и Garrett (1972, Австралия), получившими градацию серой шкалы изображения. Затем они усовершенствовали приборы, работающие в реальном масштабе времени. В 1942 г.
Христиан Доплер описал распространение волн из движущегося источника колебаний и влияние других относительных движений на их частоту. Этот эффект Доплера был применен в акустике, и на его базе позднее стали изготовлять приборы, способные регистрировать движение сердца.