Ультразвук и его применение в медицине

Введение

Ультразвук — упругие колебания в среде с частотой за пределом слышимости человека. Обычно под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц.

За последние 40 лет, ультразвук стал важной диагностической методикой. Его потенциал как лидера в  отображении медицинской диагностики  был признан в 1930-ых и 1940-ые, когда  Теодор Дуссик и его брат Фридрих  попытались использовать ультразвук для  того, чтобы диагностировать опухоли  мозга. Однако только в 1970-ых, работа этих и других пионеров исследований ультразвука  реально принесла плоды.

Вместе с технологическими усовершенствованиями, ультразвук прогрессировал от большой, громоздкой машины, воспроизводящей  неоптимальные изображения к  переносному, удобному для использования, и сложному прибору. Такая эволюция потребовала тесного единения физики, физиологии, медицины, техники, и управления.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно  проведены теоретические и экспериментальные  исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые  технологические процессы, протекающие  при воздействии ультразвука  в жидкой фазе. В настоящее время  формируется новое направление  химии – ультразвуковая химия, позволяющая  ускорить многие химико-технологические  процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей  молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые  области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Краткая история открытия ультразвука и его развития в медицине

Задолго до современных ученых рассматривалась полезность ультразвука  в сфере медицины, ступенью к этому  стало исследование звука. Запросы  девятнадцатого века в сфере измерения  скорости звука в воде проложили  путь к развитию гидролокатора (звуковая навигация и измерение расстояния (SONAR - SOund Navigation And Ranging). Жан-Дэниел, швейцарский  физик и Чарльз Штурм, математик, выполнили некоторые из самых  ранних экспериментов в этой области. Принимая участие в борьбе за ежегодный  приз от Королевской Академии Наук в Париже в 1826г., Колладон определил  скорость звука в воде для того, чтобы помочь подтвердить его  данные относительно сжимаемости жидкостей. Эксперимент Колладона, рассматривается  как рождение современной гидроакустики, он состоял из удара в подводный  колокол в Женевском озере  с одновременным поджигом 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 в  Женевском озере, она равнялась  1435 м/сек (разница с современными вычислениями равна только 3 м/сек).

Позже, в 1877, Джон Уильям Струтт (также известный как Лорд Рэйлиф) издал «Теорию Звука», которая стала фундаментом для науки об ультразвуке. Его вклад считался настолько существенными, что Лорд Рэйлиф, был назначен в Палату Изобретений и Исследований Великобритании, орган, который контролировал достижения в области гидролокации в течение Первой Мировой войны. В 1880, Пьер и Жак Кюри сделали важное открытие, которое, в конечном счете, привело к развитию современного ультразвукового преобразователя. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца, генерируется электрический заряд. Этот заряд был прямо пропорционален прикладываемой к кристаллу силе; это явление было названо "пьезоэлектричеством" от Греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызвав его вибрацию. Нынешние ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрические кристаллы, которые расширяются и сжимаются, для преобразования электрическую и механическую энергию, что является сутью ультразвукового преобразователя. К сожалению, из-за слабого развития электроники в то время, эти эффекты полностью не использовались. До развития в ультразвуковой технологии, целостность металлических корпусов судов проверялась при помощи стандартных рентгеновских лучей, этот процесс отнимал много времени. Из-за увеличивающейся популярности гидролокатора, было предположено, что он смог бы сыграть роль в оценке целостности корпусов судов. Однако необходимо было разрешить ряд проблем. Первым препятствием, которое необходимо было преодолеть, это изменение длины волны акустической энергии от килогерц до диапазона мегагерц так, чтобы можно было обнаружить миллиметровые дефекты в металле. Другая проблема состояла в том, что время пробега волны эхоимпульса должно быть измерено в микросекундах, а не в миллисекундах. В 1941, работая независимо, Спроул и Фаярстоун первыми разработали технологию по преодолению этих препятствий. В университете Мичигана Фаярстоун разработал "сверхзвуковой рефлектоскоп", который был изготовлен Сперри, для обнаружения дефектов в металле для промышленных целей. Хотя Спроул и Фаярстоун произвели эти приборы одновременно в 1941, только после окончания войны, в 1946, их результаты могли быть опубликованы.

1950-ые были важным временем  для ультразвука. Многие из  достижений в ультразвуковой  технологии, которые имели место  в течение той декады, нашли  новые приложения в 1960-ых и  1970-ых. В 1955г. Йаффе обнаружил  пьезоэлектрические свойства поляризованных  твердых растворов свинца, цирконата, титаната. Это важное открытие, в конечном счете, привело к уменьшенным и улучшенным ультразвуковым датчикам. Тёрнер из Лондона, Лекселл из Швеции, и Казнер из Германии использовали эти передовые приборы, для выполнения энцефалографии срединной линии для обнаружения эпидуральных гематом у пациентах с травмирующими мозговыми повреждениями. Энцефалография срединной линии осталась стандартной диагностической методикой для оценки пациентов с травмирующими мозговыми повреждениями до 1970-ых, когда была введена CT (компьютерная томография).

Инге Эдлер из Швеции и  Карл Хеллмут Герц были основными  зачинателями в сфере эхокардиографии. В начале 1950-ых, Эдлер, врач - кардиолог, предположил, что ультразвук может  играть роль в оценке сердца. Герц заимствовал  металлический дефектоскоп с  верфи, прикладывал зонд к своей  груди, и наблюдал, отображения, которые  изменялись по амплитуде и диапазону  в соответствие с его частотой сердцебиения. Последующие исследования Герца и Асберга привели в 1967г. к первой двумерной оперативной, машине отображающей сердце. Приблизительно в то же самое время, первая регистрация  одновременного режима "М" и внутрисердечного тока крови Доплера были обнаружены Эдлером и Линдстромом.

В 1960-ых годах, ограничением ультразвуковой технологии был медленный  и утомительный сбор изображений  и крайней разрешающей способности  изображения, вызванной движением  пациента. Несмотря на эти стеснения, ультразвук заработал уважение медицинского сообщества и быстро становился рутинным методом отображения. За следующие  два десятилетия, усовершенствования в технологии ультразвука ускорялись, и ее использование во многих медицинских  специальностях стало стандартным. Как сказал в 1976г. Ян Дональд: "Медицинский  гидролокатор весьма внезапно вырос и достиг совершеннолетия; фактически, его всплеск роста в пределах последних нескольких лет был почти взрывом". Ранние системы отображения состояли из обычных осциллографов с катодным лучом, которые были экспонированы с открытыми фотографическими затворами, чтобы зафиксировать изображение на экране. Из-за запаздывания, свойственного этим системам, фиксировались многие более слабые отображения, но они не были так интенсивны как отображения от раздела поверхностей . Эти отображения от регулятора освещенности, производил раннее "полутоновое" изображение, которое определяло плотность ткани и производило изображение с лучшей разрешающей способностью.

В более поздних моделях  использовался "бистабильный" осциллограф  с памятью, который упростил процесс  сканирования и устранил необходимость  затворной фотографии. С устранением  изображений от фотокамеры с затвором, "серый" или менее интенсивные  изображения были потеряны, приводя  к созданию худших изображений. Затребованный  для разработки телевизионной сканирующей  конверторной трубки и при поддержке  Джорджа Коссоффа из Австралии, полутоновый  режим был вновь востребован. Дальнейшие усовершенствования в сфере  электроники, такие, например, как аналоговые и цифровые сканирующие конверторы, привели даже к получению лучших ультразвуковых изображений. Цифровые сканеры, выпущенные на рынок в 1976, давали устойчивые, воспроизводимые, и очень  чёткие изображения.

Существенной поворотной точкой в развитии ультразвука было автоматически возобновляемое сонографическое  изображение, или оперативное отображение. Эта методика сканирования позволяет  производить отбор и отображение  изображений настолько быстро, что  их формирование и отображение кажется  одновременным. Оперативное отображение  было инициировано в середине 1950-ых Дж. Дж. Уайлдом, но этот прорыв игнорировался  больше десяти лет из-за улучшенных изображений, производимых ультразвуковой машиной Хоури. Первой коммерчески  доступной оперативной ультразвуковой машиной была машина "Vidoson". Эта машина имела вращающийся датчик в водном резервуаре и сначала использовалась Хоффманом в 1966г. и Холландером в 1968г., для того, чтобы очертить структуры в женской почечной лоханке. "Vidoson" производила 15 изображений в секунду, создавая относительно немерцающее кинематографическое представление отображаемого органа. С оперативным отображением, обследующий специалист получал немедленную обратную связь, что явилось важнейшим средством создания ультразвукового, отображения, которое не столь зависимо от оператора.

Развитие "Vidoson" потребовало других технологически прогрессивных решений, таких, например, как линейные датчики и датчики фазирования массивов. В течение 1970-ых и 1980-ых годов, многочисленные усовершенствования и модификации этих датчиков и ультразвуковых машин, послужили для улучшения ультразвуковых изображений и расширили использование этой технологии. В общей хирургии, ультразвук несомненно сыграл свою роль в диагностике груди, желчного пути, панкреатита, и болезней щитовидной железы. Первыми инициаторами в этих областях были Леопольд и Доуст, Кобайаши, Уагай, Колу-Беглет, Стубер и Мишкин. Фрайдей популяризировал использование ультразвука для локализации внутрибрюшных абсцессов, а Голдберг в 1970г. предлагал его использование для раннего обнаружения асцита. Хотя корректировочная радиология стала очень сложной, ее начало восходит к 1969г., когда Краточвилл предложил использовать ультразвука режима "A" для чрескожных дренажных процедур. В пользу использования ультразвука режима "В" выступили Голдберг и Поллак в 1972г.

Другие разделы общей  хирургии, особенно травматизм, положились на портативность ультразвука и  скорость, доступа к пациентам  в ситуациях, от которых зависит  жизнь или смерть. В 1971г., Кристенсен из Германии впервые сообщил об использовании  ультразвука для оценки пациента с травмами тупым предметом. За этим последовало перспективное исследование, выполненное Ашером который изучил использование ультразвука как  методику контроля на подозрение разрыва селезёнки. Тайлинг из Кельнского университета, исследовал использование ультраэхографии для оценки торакса, забрюшинного пространства, и других внутрибрюшных органов в середине 1980-ых годов. Хотя большинство ранних исследований было выполнено в Европе и Азии, в последнее время использование ультразвука хирургами стало более популярным в Северной Америке.

За прошедшую декаду, прогресс в ультразвуковом оборудовании сделали  его оплотом по оценке пациентов  с сосудистой патологией. Ультразвук служит как инструмент контроля при  оценке цереброваскулярной болезни  и брюшных аневризм аорты, а также  для оценки пациентов на глубокий венозный тромбоз и периферийную сосудистую болезнь. Эти исследования в значительной степени опираются  на теорию, предложенную более ста  лет назад Христианом Андреасом  Доплером.

Ультразвук и его характеристики

Ультразвук — упругие  механические колебания среды, частота  которых превышает верхний предел слышимости уха человека (около 18 кГц). Они находятся в диапазоне  частот от 15 кГц до 20 кГц. Нижняя граница  области УЗ частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого  слуха и является условной, так  как верхняя граница слухового  восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ частот обусловлена  физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при  условии, что длина волны значительно  больше длины свободного пробега  молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых  телах. Основную характеристику распространяющейся упругой волны представляет расстояние, которое она проходит за один период. Эта величина — длина волны, зависящая от скорости распространения звука в материале, а также от частоты. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ частот подразделяют на три области:

• низкие УЗ частоты 10×(1,5⁴ – 10⁵ Гц);
• средние (10⁵ – 10⁷ Гц);
• высокие (10⁷ – 10⁹ Гц).

Упругие волны с частотами 10⁹ – 10¹³ Гц принято называть гиперзвуком.

Колебания эти распространяются в виде волн, которые представляют собой периодически чередующиеся области растяжения и  сжатия. Скорость распространения упругой  волны определяется свойствами среды  и не зависит ни от частоты, ни от интенсивности ультразвука. Особенности  ультразвуковых колебаний — их направленность и возможность фокусирования  энергии на небольшой площади  рабочего инструмента.

Звуковая  волна, распространяясь в среде, несет определенную энергию, которая  периодически переходит из потенциальной  в кинетическую и обратно.