Наука и техника: прошлое и настоящее

Что умеет ультразвук?

Окончание. См. № 23/2009

Эхолокация в медицине

В отличие от рентгеновских и ЯМР-томографов (а также первых «просветных» УЗ-приборов) современные приборы для УЗ-исследования органов (УЗИ) работают в таком же режиме, как и их аналоги в технической диагностике, т.е. обнаруживают границы раздела сред с различными акустическими характеристиками [2]. Различие между свойствами мягких тканей не превышает 10%, и лишь костные ткани дают почти 100%-ное отражение. Таким образом, почти всё богатство информации, получаемой медицинскими УЗ-приборами, заключается в анализе этих слабых сигналов.

Принцип действия одномерного измерителя толщины жировой прослойки и получаемая эхограмма

Одно из первых применений одномерной локации в медицине – УЗ-эхоэнцефалоскоп. Идея его проста: получают эхограммы внутричерепных структур при зондировании головы в височной области слева и справа. Появление внутричерепных повреждений (гематом, опухолей) приводит к нарушению симметрии эхограмм, и таких пациентов легко выделить и направить на более детальное и дорогостоящее обследование [3].

Применение ультразвука в кардиологии привело к развитию важной для УЗИ технологии – представления эхограммы в координатах глубина-время, когда амплитуда сигнала представляется уровнем серого. Это позволило начать систематические неинвазивные исследования движения внутренних структур сердца и крупных сосудов и получить новую важную физиологическую информацию. Например, было доказано, что поперечное сечение аорты не меняется, как предполагали раньше врачи.

Одномерные эхокардиограммы различных структур сердца в координатах глубина-время [3]

Первые кардиологические приборы были одномерными, и для исследования различных структур приходилось поворачивать датчик под разными углами. Впоследствии удалось автоматизировать этот процесс, и современные УЗ-приборы стали эхотомографами, т.е. позволяют получать двумерные сечения исследуемой области организма и наблюдать за быстрым движением структурных элементов сердца – клапанов, перегородок. В случае же неподвижных структур всё гораздо проще. Первые УЗ-томограммы были получены, когда не было сложной электроники и компьютеров, правда, для этого приходилось погружать человека в ванну с водой и обходить с одномерным датчиком по кругу. Сейчас применяют методы интерференции колебаний от множества маленьких элементов, позволяющих управлять направлением УЗ-пучка. Такое УЗ-исследование (УЗИ) органов и тканей стало обычной процедурой, несопоставимо более дешёвой, чем другие виды томографии.

Слева: прохождение ультразвука от одномерного УЗ-прибора через структурные элементы сердца; справа: пример двумерной эхокардиограммы

В то же время остались частные применения одномерной УЗ-локации. Одним из них является измерение толщины жировой подкожной прослойки, что позволяет оценивать показатель степени ожирения, например BFI [4]. Этот метод реализован в приборе Bodymetrix2000 – совместной российско-американской разработке, который сейчас применяется в салонах красоты и фитнес-клубах по всему миру.

Первая УЗ-томографическая установка и полученная на ней томограмма

Пожалуй, наиболее интересными из сложных современных приборов для УЗ-медицинской диагностики являются трёхмерные системы. В этих системах УЗ-пучок поворачивается в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а принятые эхосигналы обрабатываются так, чтобы получить изображение сплошной поверхности объекта, находящегося внутри организма человека, будь то внутренний орган или эмбрион. Если сбор и обработка информации происходят достаточно быстро, то можно наблюдать за движением объекта в реальном масштабе времени, например, изучать поведение ещё не родившегося ребёнка, его реакции и т.п. Пожалуй, единственный вопрос здесь – обеспечение безопасности, т.е. поддержание интенсивности УЗ-излучения на уровне 50–100 мВт/см².

Слева: трёхмерное УЗ-изображение ребёнка в утробе матери: справа: фото новорождённого

 

Ультразвуковая терапия и хирургия

Как и другие виды волн, ультразвук поглощается при распространении в вязкоупругой среде. Поглощённая энергия вызывает нагрев мягких тканей, который можно использовать для целей физиотерапии. В отличие от обычных источников тепла прогрев происходит за счёт поглощения ультразвука внутри тканей, а не за счёт их теплопроводности. Отличие от нагрева СВЧ-излучением заключается в направленности УЗ-пучка, т.к. длины волн ультразвука существенно короче. Поглощение ультразвука быстро растёт с увеличением частоты, что позволяет довольно сильно прогревать локальные участки тела, например, злокачественные опухоли. Интенсивность терапевтического ультразвука не превышает 3 Вт/см².

В одной области физиотерапии, по-видимому, ультразвуку нет конкурентов. Речь идёт о лечении угревой сыпи и ряда сходных заболеваний. До сих пор ни один из методов лечения не дал 100%-ной гарантии выздоровления. Пожалуй, наиболее эффективным является обычный нагрев подкожной области на глубинах до 4–5 мм, когда пузырёк с выделениями сальной железы и бактериями просто вскипает и высушивается. Поверхностный нагрев приводит либо к ожогу, либо к увеличению длительности одной процедуры до нескольких минут. Лазерный нагрев оказывается неэффективным из-за сильного рассеяния оптического излучения в коже. В 2007 г. появились УЗ-приборы, работающие в диапазоне 15–20 МГц, которые показали хорошие результаты при клиническом тестировании и вскоре должны выйти на рынок косметических товаров [5].

Ещё более мощный ультразвук приводит к разрушению сплошной структуры мягких тканей. Это явление лежит в основе действия УЗ-скальпелей, позволяющих получать бескровный разрез (повреждённая кромка ткани запекается под воздействием УЗ-волны), что очень важно для многих хирургических операций. Но можно воспользоваться тем, что ультразвук довольно легко фокусируется, например, с помощью вогнутых излучателей, формирующих сходящийся волновой фронт. При этом вблизи поверхности тела интенсивность ультразвука не превышает диагностический уровень, а в фокусе достигает огромных значений, что позволяет, например, дробить камни в почках, не нарушая целостности окружающих тканей. В перспективе может быть создан хирургический инструмент для внутриполостных операций без разреза поверхности, работающий под управлением двумерного или трёхмерного эхолокатора.

Ультразвуковые скальпели

 

Мощный ультразвук в технике

Мощный ультразвук замечателен тем, что частицы среды, в которой распространяется волна, колеблются с весьма значительными скоростями и ускорениями. Это приводит к тому, что можно прикладывать к среде такие внутренние силы, которые будут существенно влиять на её однородность.

Одним из замечательных примеров такого воздействия является получение однородных субстанций из составляющих, которые невозможно смешать никакой механической системой. В качестве примера приведу смесь воды с трансформаторным маслом, полученную в одной из лабораторий ИПФ РАН. В природе эти вещества не смешиваются: если взбить такую смесь с помощью мешалки или миксера, можно получить среду, которая будет казаться однородной, однако в покое она достаточно быстро расслаивается на исходные компоненты. Смесь тех же веществ, взбитая с помощью мощного низкочастотного ультразвука, простояла в банке на столе больше года без расслоения.

Такие перемешивающие системы могут найти применение для получения однородных взвесей, содержащих вещества с большой удельной поверхностной энергией, например, углеродные нанотрубки. При размешивании порошка нанотрубок в воде они слипаются в большие комки, которые уже ничем не разбиваются. Воздействие мощного ультразвука приводит к появлению суспензии, однородной на микроскопическом уровне (см. видеоролик на сайте одного из производителей этой техники – немецкой фирмы Hielscher [6]).

Ещё один пример изменения структуры жидкости под действием ультразвука – дробление её на капли с образованием аэрозоля, например, лекарственного средства для ингаляции. Для этого УЗ-излучатель в виде вогнутого сферического сегмента помещают на дно чашки с контактной жидкостью (водой), а сверху помещают маленькую чашечку из звукопрозрачного материала, в которую налито распыляемое вещество, причём высота чашечки подбирается так, чтобы геометрический фокус оказался вблизи верхней границы вещества. С помощью таких ингаляторов удаётся получать капли с характерными размерами 1–10 мкм. Наблюдая за облаком капель, можно оценить их размеры, подобно тому, как это делается в опыте Милликена [7]. Например, в медленно оседающем тумане (скорость оседания 1 мм/с) радиус капли составляет 3 мкм. Один из первых УЗ-ингаляторов был разработан сотрудниками НИРФИ (г. Нижний Новгород) в конце 60-х гг. прошлого века и выпускается до настоящего времени нижегородским предприятием «Салют» (хотя электронная начинка ингалятора существенно изменилась за эти 40 лет, конструкция УЗ-излучателя осталась практически неизменной).

Очень интересное явление, которое можно наблюдать при распространении мощного ультразвука в жидкости, – разрыв сплошной среды и образование кавитационных пузырьков. Теоретически пороговое напряжение разрыва однородной жидкости может достигать 10⁸ Па, экспериментальные же значения, полученные в специально очищенной воде, почти на порядок меньше. Но если не принимать специальные меры, то разрыв воды происходит уже при 5 ·10⁴ Па из-за наличия в ней растворённого газа. Появляющиеся газовые пузырьки начинают расти, а затем совершают сильно нелинейные колебания. Наука о колебаниях газовых и паровых пузырьков – почти самостоятельная область знаний, в которой открыто очень много интересного. Например, в фазе сжатия давление и температура внутри пузырька могут достигать огромных значений, приводя к образованию плазмы. При температурах порядка 10⁴–10⁵ К возникает свечение, которое известно давно и носит название сонолюминесценции (были даже идеи получения «холодного термояда» в дейтерированном ацетоне [8]). При схлопывании пузырька вблизи поверхности твёрдого тела возникают ударные волны и кумулятивные струи, которые могут приводить к разрушению поверхности (результат такого воздействия показан на фото). Иногда такое кавитационное разрушение можно применять с пользой, например, дробить зубной камень или вообще заменить обычную бормашину ультразвуковой. Это же явление лежит в основе работы ультразвуковых моек замасленных деталей и беспорошковых стиральных машин, которые оказываются весьма эффективными, но, к сожалению, способствуют разрушению очищаемого материала при многократной стирке.

 

Ультразвук и передача информации

Существование видов животных, способных воспринимать ультразвук, было открыто одновременно с самим ультразвуком (вспомните свисток Гальтона). Оказалось, что огромное количество биологических видов чувствительно к ультразвуку, по крайней мере в диапазоне 20–40 кГц. Это давно научились использовать для отпугивания грызунов (крыс, мышей), птиц, насекомых, собак. Однако не всё так просто. Например, грызуны достаточно быстро привыкают к наличию помехи, и приходится усложнять такие системы – в них частота и вид передачи ультразвука (длительность и период следования импульсов) делают случайными. Да и системы отпугивания насекомых иногда имеют прямо противоположный эффект, если выбрать неправильную частоту.

Гораздо более интересное открытие было сделано позднее – некоторые биологические виды не только чувствительны к ультразвуку, но могут его излучать и использовать для обнаружения целей и препятствий. Наиболее известны здесь летучие мыши и дельфины, издавна использующие физические и информационные принципы, которые человек научился применять лишь недавно. Например, долгое время оставалось загадкой, как летучая мышь может обнаруживать в темноте тонкие проволочки, натянутые в комнате (такие эксперименты проводил Р. Вуд). Впоследствии оказалось, что мозг летучей мыши проводит сложнейшую обработку информации, накопленной не за один цикл передачи-приёма звука, а за множество циклов при движении животного (такая процедура в радиолокации называется апертурным синтезом), увеличивая разрешающую способность своего «локатора» во много раз. Не исключено, что некоторые виды используют ультразвук и для передачи информации.

Говоря об информационных возможностях УЗ-волн, нельзя не упомянуть ещё одно интересное применение мощного фокусированного ультразвука: передачу речевой информации путём прямого воздействия на слуховой нерв. Пионерские исследования в этой области были начаты в 80-е гг. прошлого века проф. Л.Р. Гавриловым (г. Москва). Идея заключалась в следующем: высокочастотный (100–200 кГц) сигнал модулируется по амплитуде низкочастотным речевым сигналом и подаётся на фокусированный УЗ-излучатель, возбуждая модулированную волну. Излучатель прикладывается к поверхности головы так, чтобы фокус находился в области, где проходит слуховой нерв. При этом было обнаружено, что слуховой нерв становится «детектором», и человек начинает слышать модулирующий речевой сигнал. Конечно, этот метод может помочь не всем глухим людям, а лишь тем, глухота которых связана с нарушениями подвижности механической части слухового аппарата. Тем не менее эта технология в настоящее время применяется достаточно широко во всём мире.

 

Заключение

Очевидно, рассказать всё об ультразвуке невозможно даже на ста страницах. Высокочастотная акустика продолжает развиваться, и если читатель откроет сборник трудов XIX сессии Российского акустического общества, состоявшейся в сентябре 2007 г. в Нижнем Новгороде [9], он найдёт много нового. Ведь в моём кратком обзоре не нашлось места нелинейной акустике, применению эффекта Доплера, акустическому тепловидению, оптоакустике и акустооптике… Поэтому на вопрос «Что умеет ультразвук?» я бы ответил: «Всё! А если что-то не умеет, значит, непременно научится!»

 

Литература

1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под. ред. И.П. Голяминой. М.: Советская Энциклопедия, 1979.
2. Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.
3. Клиническая ультразвуковая диагностика: руководство для врачей: в 2 т. / Под ред. Н.М. Мухарлямова. М.: Медицина, 1987.
4. Рейман А.М. Ультразвуковой жиромер // Физика-ПС. 2007. № 1. с. 37–38. (Издат. дом «Первое сентября»).
5. Рейман А.М. Ежедневно вместо мыла... // Физика-ПС. 2007. № 24. с. 33–34. (Издат. дом «Первое сентября»).
6. Hielscher – Ultrasound Technology [Электронный ресурс] URL: http://www.hielscher.com/ultrasonics/nano_03.htm (дата обращения 23.11.2009).
7. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободской Б.А. Физика. Электродинамика. 10–11 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Дрофа, 2002. с. 111–112.
8. Nuclear Emissions During Self-Nucleated Cavitation / R.P. Taleyarkhan [et al.] // Phys. Rev. Letts, 96, 034301, 2006.
9. Сб. трудов XIX сессии РАО: в 3 т. М.: ГЕОС, 2007.