Рождение ультразвука
В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что при сжатии и растяжении кристалла кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» – «давлю»), а материалы с такими свойствами – пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца – разные физические свойства вдоль разных граней.
Во время первой мировой войны французский исследователь Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения. Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна.
Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты. При этом он заметил, что кристалл колеблется в такт изменению напряжения. (Рис. 001) Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами-электродами не одну, а несколько пластинок и добился возникновения резонанса – резкого увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили создавать ультразвуковые излучатели различной частоты. Позже появились излучатели на основе титаната бария, а также других кристаллов и керамики, которые могут быть любой формы и размеров.
Ультразвук можно получить и другим способом. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что при перемагничивании электрическим током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то увеличиваются в такт изменениям направления тока. (Рис. 002) При этом в окружающей среде возбуждаются волны, частота которых зависит от колебаний стержня. Это явление назвали магнитострикцией (от латинского «стриктус» – «сжатие»).
Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных и медицинских задач. Например, ультразвуковые дефектоскопы, (Рис. 003) объединенные с компьютером, помогают контролировать качество сварных швов, бетонных опор и плит. Ультразвуковую аппаратуру также с успехом применяют для резки и сверления металлов, стекла и других материалов. Ультразвук можно использовать для измельчения вещества – например, для приготовления тонко размолотого цемента или асбеста, для получения однородных эмульсий, для очистки жидкости или газа от примесей. (Рис. 004) С помощью сфокусированного пучка ультразвуковых волн распыляют некоторые жидкости, например, ароматические вещества, лекарственные препараты. Получающийся «ультразвуковой туман», как правило, более качественный, чем аэрозольный. И сам этот метод экологически более безопасный, так как можно отказаться от фторсодержащих газов, которые используются в аэрозольных баллончиках.
Увидеть невидимое
Около полвека назад ультразвук стали использовать в ветеринарии для определения толщины подкожного жира у свиней. Этот прозаический метод подтолкнул исследователей к разработке новых излучателей и приемников ультразвука и дал возможность «рассмотреть» внутренние органы человека. Это гораздо более простая процедура, чем хирургическая операция, кроме того, она дает возможность увидеть органы человека в работе. Оказалось возможным даже изучать движение крови в сосудах, определять состояние костной ткани; и даже внутренних перегородок сердца – так, выпадение митрального клапана сердца было впервые обнаружено с помощью ультразвукового исследования.
В настоящее время ультразвуковая диагностика получила широкое распространение. В основном при распознавании патологических изменений органов и тканей используют ультразвук частотой от 500 кГц до 15 МГц. Звуковые волны такой частоты обладают способностью проходить через ткани организма, отражаясь от всех поверхностей, лежащих на границе тканей разного состава и плотности.
По физической сути можно выделить две разновидности ультразвукового исследования: ультразвуковая локация и ультразвуковое просвечивание. При ультразвуковой локации регистрируются импульсы ультразвука, отраженные от границы сред, имеющих различные акустические свойства. Перемещение датчика позволяет выявить размеры, форму и расположение исследуемого объекта. Ультразвуковое просвечивание основано на различном поглощении ультразвука разными тканями организма. При исследовании внутреннего органа в него направляют ультразвуковую волну определенной интенсивности и регистрируют интенсивность прошедшего сигнала датчиком, находящимся по другую сторону органа. По степени изменения интенсивности воспроизводится картина внутреннего строения сканируемого органа.
Принятый сигнал обрабатывается электронным устройством, результат выдается в виде кривой (эхограмма) или двухмерного изображения (т.н. сонограмма – ультразвуковая сканограмма).
В первом случае, (Рис. 005) т.е. при одномерном (т.н. А-методе), отраженный сигнал образует на экране осциллографа фигуру в виде пика на прямой линии. Высота пика соответствует акустической плотности среды, а расстояние между пиками – глубине расположения границы раздела между средами. А-метод широко применяется для распознавания болезней головного мозга (эхоэнцефалография), органов зрения (эхоофтальмография), сердца (эхокардиография).
Двухмерный (т.н. В-метод), - способ получения двухмерного изображения посредством сканирования – перемещения ультразвукового пучка по поверхности тела во время исследования. Сканирование обеспечивает регистрацию сигналов последовательно от разных точек объекта; изображение возникает на экране телевизионного монитора (Рис. 006) и может быть зафиксировано на фотобумаге или пленке; его можно подвергать математической обработке, (Рис. 007) измеряя, в частности, величину разных элементов объекта. Яркость каждой точки на экране находится в прямой зависимости от интенсивности эхо-сигнала. Изображение на телевизионном экране представлено, обычно, 16-ю оттенками серого цвета или цветной палитрой, (Рис. 008) отражающими акустическую структуру тканей. На аппаратах с серой шкалой конкременты (т.е. твердые, похожие на гальку массы, чаще всего образующиеся в желчном пузыре или в мочевыводящих путях) выглядят ярко-белыми, а образования, содержащие жидкость, например, кисты, - черными.
Современная аппаратура позволяет производить ультразвуковое сканирование с большой частотой кадров в 1 секунду, что обеспечивает прямое наблюдение за движениями органов (исследование в реальном времени). По таким сканограммам (Рис. 009) можно судить о расположении, форме и величине исследуемого органа, однородности (Рис. 010) или неоднородности его тканей. Это дает возможность выявлять диффузное уплотнение органа (например, при циррозе печени), находить в нем полости с жидкостью, а также опухолевые образования и плотные очаги. Так, если рентген обнаруживает опухоль, когда плотность её отличается от плотности здоровой ткани в 1,5 – 2 раза и она часто бывает уже неоперабельной, то ультразвук «чувствует» её значительно раньше. На эхограммах сердца вырисовываются его стенки, полости, клапаны, на сонограммах живота – структура печени, желчного пузыря, поджелудочной железы, селезенки, (Рис. 011) почек и т.д. По эхограммам можно распознать асцит, водянку желчного пузыря, желчные камни, панкреатит и опухоль поджелудочной железы, различные заболевания почек, опухоли, гематомы, кисты и абсцессы печени и др. С помощью ультразвукового исследования выявляют поражения щитовидной и слюнных желёз, небольшие количества жидкости в плевральной полости. Широкое распространение получило ультразвуковое сканирование органов малого таза (Рис. 012) для распознавания кист и опухолей яичников, опухолей мочевого пузыря, прямой кишки и предстательной железы, объема остаточной мочи в мочевом пузыре. По эхограмме определяют срок беременности, положение и массу плода, (Рис. 013) аномалии его развития, многоплодие, исключают внематочную беременность, а, (Рис. 014) начиная с 26 недель – устанавливают пол будущего ребенка. Для получения высококачественных «срезов» аорты и её крупных ветвей, нижней полой и воротной вен, артерий печени, желудка и почек с помощью ультразвуковой диагностики, не требуется, как при ангиографии, вводить в сосуды рентгеноконтрастное вещество и можно многократно повторять исследование, не опасаясь нанести вред больному. Изучая положение, форму, калибр и очертания кровеносных сосудов, можно выявлять их патологические изменения.
В последнее время особенно бурно развивается Доплер-метод, основанный на использовании как непрерывного, так и импульсного ультразвука. Он позволяет регистрировать изменения тока крови даже в небольших кровеносных сосудах, поэтому доплерография применяется и в акушерстве – с её помощью оценивают поток крови через пуповину, работу сердца и сосудов ребенка. Этот подход оказался ценным и для онкологии – ведь развивающаяся опухоль «обрастает» кровеносными сосудами, внутри неё происходят небольшие кровоизлияния, образуются участки омертвевшей ткани. Всё это вызывает изменения кровотока в сосудах и легко может быть обнаружено с помощью Доплер-метода.
Благодаря ультразвуковой технике стало возможным увидеть и то, что происходит внутри костной ткани. Скорость распространения ультразвука в костях дает информацию об их строении, содержании органических и минеральных веществ. Любые патологические изменения, старение, развитие опухолей немедленно отражаются на акустических свойствах кости. Например, при появлении опухолей внутри кости, скорость ультразвука увеличивается на 9 – 10%. Эффективность лечения таких опухолей с помощью гормонов, химиотерапии или облучения можно параллельно контролировать ультразвуковыми методами. Деминерализация костей или патологические изменения скелета могут быть выявлены на ранней стадии, когда ещё не поздно начинать лечение и диету, замедляющую развитие болезни.