В новых аппаратах узи появится функция историй. Применение ультразвука. Биологическое действие ультразвука
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,
Причем использование звуковых волн считается самым информативным и безопасным методом исследования. Человечество давно подозревало, что на планете существуют звуковые волны такой частоты, которая не воспринимается органами слуха человека, именно на них и построены современные методы УЗИ.
В 1974 году итальянскому ученому Ладзаро Спалланцани опытным путем удалось обнаружить невидимое излучение, помогающее ориентироваться в пространстве многим представителям животного мира планеты, и оно легло в основу современных методов УЗИ диагностики. Опыт проводился над летучей мышью, которой попросту заткнули уши, что привело в дезориентации животного.
В XIX веке ученые начали проводить научные исследования свойств найденных лучей. Так в 1822 году ученый-физик из Швейцарии Даниэль Колладен провел точные расчеты скорости звука в воде, используя в качестве источника звука подводный колокол, а в качестве водного резервуара Женевское озеро. Так произошло зарождение гидроакустики.
Спустя чуть более полвека в 1880 году французские физики Пьер и Жак Кюри открыли существование пьезоэлектрического эффекта, который возникает в результате механического воздействия в кристалле кварца. А через пару лет удалось сгенерировать и обратный пьезоэффект, который в дальнейшем использовался для разработки преобразователя ультразвуковых волн. Эта конструкция из пьезоэлектрических кристаллов кварца для преобразования ультразвука является основным элементом современного оборудования для УЗИ.
В начале ХХ века на основании имеющихся сведений об ультразвуковых волнах получает развитие новая отрасль науки – гидроэхолокация, представляющая собой поиск объектов в водной среде по отраженному от них звуку (эхо) при помощи специального прибора, называемого эхолотом. Разработкой таких приборов занимались ученые разных стран: Англии, Австрии, Америки. При помощи гидролокаторов обнаруживали вражеские суда еще во времена Первой мировой войны. В настоящее время их используют в мореплавании и исследовании морских глубин, в том числе для поиска затопленных кораблей.
В 30-х годах ХХ века появилась идея поиска при помощи ультразвука дефектов в металлических конструкциях, тогда же были созданы первые дефектоскопы. Само направление УЗ-диагностики металлоконструкций получило название металлодетекции. Ее повсеместно используют в промышленности.
Успехи в использовании ультразвука в гидролокации и металлодетекции подтолкнули ученых рассмотреть возможности его применения на живых организмах, в частности медицине.
В тех же 30-х годах ультразвуковые волны начали использовать для физиопроцедур при лечении некоторых заболеваний. А уже следующее десятилетие ознаменовалось началом исследований в плане постановки ультразвука на службу медицинской диагностики.
Основоположником УЗ-диагностики можно считать австрийского психоневролога Карла Теодора Дюссика, который во второй половине 40-х годов разработал метод гиперсонографии, при помощи которого можно обнаружить опухоль в головном мозге на основании замеров интенсивности входящей и выходящей из черепа ультразвуковой волны.
Дальнейшее развитие и усовершенствование УЗ-диагностики привело к появлению таких методов исследования, о которых медицина могла лишь мать. Трехмерная ультразвуковая диагностика позволяет получить объемную картинку с любого ракурса. Эхоконтрастирование (когда в вену вводится специальные вещества с пузырьками газа) – один из самых точных методов диагностики. Соноэластография представляет собой сочетание ультразвука и давления для определения характера сокращения тканей, по которому и выявляются различные патологии.
УЗ-томография позволяет получить компьютерное изображение органов человека в трех плоскостях, не нанося никакого вреда человеческому организму. Четырехмерное УЗИ – это возможность путешествовать внутри сосудов человека, выявляя малейшие изменения.
По сегодняшний день ультразвук верой и правдой служит человеку, позволяя вовремя распознать злокачественные новообразования, спасая жизни многим пациентам, а также даруя уникальную возможность не только следить за развитием ребенка в утробе матери, но даже определить пол и внешние черты младенца.
В онкологии ультразвук применяется не только как безопасный метод диагностики, но и как метод лечения раковых опухолей на ранних стадиях их развития. Не секрет, что наука не стоит на месте, и появляются новые, модернизированные методы исследований.
Известно, что для животных, активная жизнедеятельность которых в основном ведется ночью, характерны большие глаза и острое зрение, но летучие мыши, напротив, имеют маленькие глаза и очень большие уши. Это натолкнуло итальянского ученого Ballanzani еще 200 лет тому назад на мысль о проведении исследования по изучению возможностей ориентации летучих мышей в пространстве. Он протянул через комнату тонкие нити, снабженные колокольчиками, затемнил помещение и впустил туда летучих мышей. Несмотря на полнейшую темноту, ни одна летучая мышь не натолкнулась на протянутые нити. Когда же мышам залепили уши, то они стали задевать натянутые нити и даже наталкиваться на стены. Исследования Ballanzani заложили первый камень в понимание процесса ориентации летучих мышей в пространстве. Ballanzani установил, что эти животные ориентируются в пространстве посредством ультразвуковых волн.
В промышленности ультразвук на протяжении многих лет применяется, в частности, при определении косяков рыб в морях и океанах.
Благодаря открытию в 1880 году братьями J. и Р. Curie так называемого пьезоэлектрического эффекта были впервые генерированы ультразвуковые волны. Первые опыты по применению ультразвуковых колебаний были предприняты von Sternbert, который, использовав после катастрофы «Титаника» в 1912 году ультразвуковой зонд, открыл путь для дальнейшего широкого применения эхолокации.
Благодаря французскому физику R. Langevin эхолокация получила дальнейшее развитие во время Первой мировой войны — она стала использоваться для обнаружения подводных лодок.
В технической области ультразвук давно применяется для индикации и локализации места повреждения среды.
Ультразвуковое исследование в медицине
В медицине ультразвуковая диагностика впервые нашла применение в области неврологии благодаря исследованиям невропатолога K.Th. Dussig. Вдвоем со своим братом, радиотехником, в период с 1938 по 1942 годах они предприняли первые попытки для получения представления о патологических внутричерепных изменениях. Однако эти попытки не привели тогда к прорыву ультразвуковых технологий в медицину, пауза в развитии диагностического ультразвука затянулась. А в 1954 году после создания J.G. Holmes нового поколения ультразвуковых приборов с водяной подушкой начался новый отсчет времени в развитии медицинской ультразвуковой диагностики. Работы кардиологов J. Edler и. С.Н. Hertz заставили специалистов прислушаться к результатам ультразвукового исследования сердца и привели к созданию эхокардиографии. Последующее развитие учения об ультразвуке привело к тому, что J. Donald и Т.Е. Braun изобрели сканер с датчиком, работающим без водяной подушки. Благодаря данному изобретению появилась возможность исследовать полости тела, сердца и щитовидную железу в двухмерном пространстве. Дальнейшее тесное сотрудничество между медиками и медицинскими техниками способствовало форсированию технического усовершенствования диагностической аппаратуры. Сегодня возможно не только выполнение тонкоигольной прицельной биопсии под контролем ультразвука, но и интраоперационное применение ультразвука.
Ультразвуковое исследование при патологиях опорно-двигательного аппарата
Воодушевленные публикациями и непосредственными беседами с Kramps и Lenschow, Р. Граф с коллегами начали с 1978 года систематически пытаться применить ультразвук в диагностике патологий опорно-двигательного аппарата. Ходившие у потреблении в те времена сканеры УЗИ были технически просты, в связи с чем, естественно, имели ограниченные возможности. Если изображение мышц и связок достигалось относительно легко, то применительно к костям использование эхолокации вследствие тотального отражения ультразвука от кортикального слоя казалось практически безуспешным. Только после внедрения первого высокоразрешающего Compound-сканера с 5 и 7,5 МГц датчиками (в тот период времени они были скорее исключением, чем правилом) удалось впервые получить изображение мениска in vivo. На основании этих результатов ультрасонография начала внедряться в практику и для .
Полученные данные были очень неинформативными, поскольку смену зон эхогенности и анэхогенности невозможно было соотнести со знаниями того времени об ультразвуковой анатомии тазобедренного сустава новорожденного. Однако профессиональный интерес вынудил препарировать суставы на трупах и снабжать отдельные анатомические структуры отражающими материалами для полной их идентификации при сонографическом исследовании. Благодаря постоянному сравнению трупных препаратов, рентгенограмм, артрограмм, плоскостных срезов на трупных тазобедренных суставах, диафаноскопии с сонограммами удалось гораздо лучше идентифицировать анатомические структуры в сонографическом изображении. Сравнительные серии сонограмм тазобедренных суставов с наличием вывиха и без вывиха бедра показывали разнообразную эхоструктуру и вместе с тем постоянную ультразвуковую модель сустава. Отталкиваясь в тот период времени от рентгенологической оценки тазобедренного сустава, исследователи пытались и по данным сонографии судить о положении головки бедра. С помощью подобного подхода к результатам УЗИ удалось по крайней мере установить различия между «вывихом» и «отсутствием вывиха». Своеобразной вехой в ультразвуковой диагностике вывихов в тазобедренном суставе следует считать период, когда «одалживание» друг у друга ультразвукового аппарата, оплата материалов за счет собственных средств и выполнение исследования, относимого к разряду «хобби», сменились на официальную программу австрийского фонда, направленную на научное решение этой проблемы.
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.