Reiman A, Какво може да направи ултразвукът, списание Physics № 24, 2009 г.
Ехолокация в медицината
За разлика от рентгеновите и ЯМР томографите (както и първите "проходни" ултразвукови апарати), съвременните апарати за ултразвуково изследване на органи (ултразвук) работят в същия режим като техните колеги в техническата диагностика, т.е. откриване на интерфейси между медии с различни акустични характеристики [2]. Разликата между свойствата на меките тъкани не надвишава 10%, а само костните тъкани дават почти 100% отражение. По този начин почти цялото богатство от информация, получена от медицинските ултразвукови устройства, се крие в анализа на тези слаби сигнали.
Принципът на работа на едномерен измервател на дебелината на мастния слой и получената ехограма
Едно от първите приложения на едномерната локация в медицината е ултразвуковият ехоенцефалоскоп. Идеята му е проста: чрез сондиране на главата в темпоралната област отляво и отдясно се получават ехограми на вътречерепни структури. Появата на вътречерепни лезии (хематоми, тумори) води до нарушаване на симетрията на ехограмите и такива пациенти могат лесно да бъдат идентифицирани и изпратени за по-подробно и скъпо изследване [3].
Използването на ултразвук в кардиологията доведе до разработването на важна технология за ултразвук - представяне на ехограма в координати дълбочина-време, когато амплитудата на сигнала е представена от нивото на сивото. Това даде възможност да се започнат системни неинвазивни изследвания на движението на вътрешните структури на сърцето и големите съдове и да се получи нова важна физиологична информация. Например, доказано е, че напречното сечение на аортата не се променя, както предполагаха лекарите по-рано.
Едномерни ехокардиограми на различни сърдечни структури в координати дълбочина-време [3]
Първите сърдечни устройства бяха едномерни и за да се изследват различни структури, беше необходимо сондата да се завърти подразлични ъгли. Впоследствие беше възможно да се автоматизира този процес и модерните ултразвукови устройства станаха ехотомографи, т.е. позволяват да се получат двуизмерни разрези на изследваната област на тялото и да се наблюдава бързото движение на структурните елементи на сърцето - клапи, прегради. В случай на фиксирани структури всичко е много по-просто. Първите ултразвукови томограми бяха получени, когато нямаше сложна електроника и компютри, но за това беше необходимо човек да се потопи във вана с вода и да се движи с едноизмерен сензор в кръг. Сега се използват методи за интерференция на трептения от много малки елементи, които позволяват да се контролира посоката на ултразвуковия лъч. Такова ултразвуково изследване (ултразвук) на органи и тъкани се превърна в обичайна процедура, несравнимо по-евтина от другите видове томография.
Вляво: преминаването на ултразвук от едномерен ултразвуков апарат през структурните елементи на сърцето; вдясно: пример за 2D ехокардиограма
В същото време останаха частни приложения на едномерна ултразвукова локация. Един от тях е измерването на дебелината на подкожния мастен слой, което дава възможност да се оцени степента на затлъстяване, като BFI [4]. Този метод е приложен в устройството Bodymetrix2000, съвместна руско-американска разработка, която сега се използва в салони за красота и фитнес клубове по целия свят.
Първият апарат за ултразвукова томография и получената върху него томограма
Може би най-интересните от сложните съвременни апарати за ултразвукова медицинска диагностика са триизмерните системи. При тези системи ултразвуковият лъч се завърта в две взаимно перпендикулярни посоки и получените ехо сигнали се обработват по такъв начин, че да се получи изображение на непрекъсната повърхност на обект в човешкото тяло, независимо дали е вътрешен орган или ембрион. Ако събирането и обработката на информациявъзникват достатъчно бързо, възможно е да се наблюдава движението на обект в реално време, например да се изследва поведението на неродено дете, неговите реакции и т.н. Може би единственият проблем тук е сигурността, т.е. поддържане на интензитета на ултразвуковото излъчване на ниво 50–100 mW/cm 2 .
Вляво: 3D ултразвуково изображение на бебе в утробата: Вдясно: снимка на новородено
Ултразвукова терапия и хирургия
Подобно на други видове вълни, ултразвукът се абсорбира, когато се разпространява във вискоеластична среда. Погълнатата енергия предизвиква загряване на меките тъкани, което може да се използва за физиотерапевтични цели. За разлика от конвенционалните източници на топлина, нагряването се дължи на абсорбцията на ултразвук вътре в тъканите, а не поради тяхната топлопроводимост. Разликата от нагряването чрез микровълново лъчение е в посоката на ултразвуковия лъч, т.к ултразвуковите дължини на вълните са много по-къси. Абсорбцията на ултразвук се увеличава бързо с нарастваща честота, което прави възможно загряването на локални области на тялото доста силно, например злокачествени тумори. Интензитетът на терапевтичния ултразвук не надвишава 3 W/cm 2 .
В една област на физиотерапията ултразвукът изглежда няма конкуренция. Говорим за лечение на акне и редица подобни заболявания. Досега нито един от методите на лечение не е дал 100% гаранция за възстановяване. Може би най-ефективно е обичайното нагряване на подкожната област на дълбочина до 4-5 mm, когато везикулата със секрети на мастните жлези и бактерии просто кипи и изсъхва. Повърхностното нагряване води или до изгаряне, или до увеличаване на продължителността на една процедура до няколко минути. Лазерното нагряване е неефективно поради силното разсейване на оптичното лъчение в кожата. През 2007 г. се появиха ултразвукови устройства, работещи вв обхвата 15–20 MHz, които са показали добри резултати при клинични тестове и скоро трябва да навлязат на козметичния пазар [5].
Още по-мощен ултразвук води до разрушаване на непрекъснатата структура на меките тъкани. Това явление е в основата на действието на ултразвуковите скалпели, които позволяват да се получи безкръвен разрез (ръбът на увредената тъкан се изпича под въздействието на ултразвукова вълна), което е много важно за много хирургични операции. Но можете да се възползвате от факта, че ултразвукът се фокусира доста лесно, например с помощта на вдлъбнати излъчватели, които образуват сближаващ вълнов фронт. В същото време, в близост до повърхността на тялото, интензивността на ултразвука не надвишава диагностичното ниво, а във фокуса достига огромни стойности, което позволява например да се раздробяват камъни в бъбреците, без да се нарушава целостта на околните тъкани. В бъдеще може да се създаде хирургичен инструмент за интракавитарни операции без повърхностен разрез, работещ под контрола на двуизмерен или триизмерен ехолот.
Мощна ултразвукова технология
Мощният ултразвук е забележителен с това, че частиците на средата, в която се разпространява вълната, осцилират с много значителни скорости и ускорения. Това води до факта, че е възможно да се приложат такива вътрешни сили към средата, които значително ще повлияят на нейната хомогенност.
Един от страхотните примери за този ефект е производството на хомогенни вещества от компоненти, които не могат да бъдат смесени от никаква механична система. Като пример ще дам смес от вода с трансформаторно масло, получена в една от лабораториите на IAP RAS. В природата тези вещества не се смесват: ако разбиете такава смес с бъркалка или миксер, можете да получите среда, която ще изглежда хомогенна, но в покой е доста бърза.стратифицирани в оригиналните компоненти. Смес от същите вещества, разбити с помощта на мощен нискочестотен ултразвук, стои в буркан на масата повече от година без разслояване.
Друг пример за промяна в структурата на течност под въздействието на ултразвук е нейното раздробяване на капки с образуването на аерозол, например лекарство за инхалация. За да направите това, на дъното на чаша с контактна течност (вода) се поставя ултразвуков излъчвател под формата на вдлъбнат сферичен сегмент, а отгоре се поставя малка чаша от звукопрозрачен материал, в която се излива разпръснато вещество и височината на чашата се избира така, че геометричният фокус да е близо до горната граница на веществото. С помощта на такива инхалатори е възможно да се получат капки с характерен размер от 1–10 μm. Наблюдавайки облак от капки, човек може да оцени техните размери, подобно на това, което се прави в експеримента Миликан [7]. Например, в бавно утаяваща се мъгла (скорост на установяване 1 mm/s), радиусът на капката е 3 µm. Един от първите ултразвукови инхалатори е разработен от персонала на NIRFI (Нижни Новгород) в края на 60-те години. от миналия век и все още се произвежда от предприятието Salyut Нижни Новгород (въпреки че електронното пълнене на инхалатора се е променило значително през тези 40 години, дизайнът на ултразвуковия излъчвател остава практически непроменен).
Много интересно явление, което може да се наблюдава по време на разпространението на мощен ултразвук в течност, е разкъсването на непрекъсната среда и образуването на кавитационни мехурчета. Теоретично, праговото напрежение на разкъсване на хомогенна течност може да достигне 10 8 Pa, докато експерименталните стойности, получени в специално пречистена вода, са почти с порядък по-ниски. Но ако не се вземат специални мерки, тогава водата се разпада вече при 5 10 4 Pa поради наличието на разтворен газ в нея. Появата на газови мехурчетазапочват да растат и след това извършват силно нелинейни трептения. Науката за колебанията на мехурчета газ и пара е почти независима област на знанието, в която са открити много интересни неща. Например във фазата на компресия налягането и температурата вътре в мехура могат да достигнат огромни стойности, което води до образуването на плазма. При температури от порядъка на 10 4 –10 5 K се появява светене, което е известно отдавна и се нарича сонолуминесценция (дори имаше идеи за получаване на „студен синтез“ в деутериран ацетон [8]). Когато мехурът се разпадне близо до повърхността на твърдо тяло, възникват ударни вълни и кумулативни струи, които могат да доведат до разрушаване на повърхността (резултатът от такъв удар е показан на снимката). Понякога такова кавитационно унищожаване може да се използва с полза, например, смачкване на зъбен камък или дори замяна на конвенционална ултразвукова бормашина. Същото явление е в основата на работата на ултразвукови почистващи препарати за мазни части и перални машини без прах, които са много ефективни, но, за съжаление, допринасят за разрушаването на почиствания материал при многократно пране.
Ултразвук и комуникация
Съществуването на животински видове, способни да възприемат ултразвук, беше открито едновременно със самия ултразвук (помнете свирката на Галтън). Оказа се, че огромен брой биологични видове са чувствителни към ултразвук, поне в диапазона 20–40 kHz. Отдавна е научено да се използва за плашене на гризачи (плъхове, мишки), птици, насекоми, кучета. Въпреки това, не всичко е толкова просто. Например, гризачите бързо свикват с наличието на смущения и такива системи трябва да бъдат сложни - в тях честотата и вида на предаване на ултразвук (продължителност и период на повторение на импулсите) са произволни. Да, и понякога системи за отблъскване на насекомиимат точно обратния ефект, ако е избрана грешна честота.
По-късно беше направено много по-интересно откритие - някои биологични видове не само са чувствителни към ултразвук, но могат да го излъчват и използват за откриване на цели и препятствия. Най-известни тук са прилепите и делфините, които отдавна използват физически и информационни принципи, които човекът се е научил да прилага едва наскоро. Например, дълго време оставаше загадка как прилеп може да открие в тъмното тънки проводници, опънати в стаята (такива експерименти бяха проведени от Р. Ууд). Впоследствие се оказа, че мозъкът на прилепа извършва най-сложната обработка на информацията, натрупана не в един цикъл на предаване и получаване на звук, а в много цикли, когато животното се движи (такава процедура в радара се нарича синтез на апертура), увеличавайки разделителната способност на своя „локатор“ многократно. Възможно е някои видове също да използват ултразвук за предаване на информация.
Говорейки за информационните възможности на ултразвуковите вълни, не може да не споменем още едно интересно приложение на мощния фокусиран ултразвук: предаването на речева информация чрез директно въздействие върху слуховия нерв. Пионерските изследвания в тази област започват през 80-те години. миналия век проф. Л.Р. Гаврилов (Москва). Идеята беше следната: високочестотен (100–200 kHz) сигнал се модулира по амплитуда от нискочестотен говорен сигнал и се подава към фокусиран ултразвуков излъчвател, възбуждайки модулирана вълна. Излъчвателят се прилага върху повърхността на главата, така че фокусът да е в областта, където преминава слуховият нерв. В същото време беше установено, че слуховият нерв се превръща в "детектор" и човекът започва да чува модулиращия говорен сигнал. Разбира се, този метод може да помогнена всички глухи хора, но само на тези, чиято глухота е свързана с нарушена подвижност на механичната част на слуховия апарат. Въпреки това, тази технология в момента се използва доста широко в целия свят.
Заключение