Какая польза от ультразвука, если мы его не слышим? О, польза огромная. Существуют целые энциклопедии и издаётся множество научных журналов, посвящённых исключительно его практическим применениям. В этом месяце поговорим о самой известной «роли» этого явления — в медицине.
О природе звука задумывались ещё древние греки, но он их интересовал лишь с точки зрения музыкальной гармонии. Только в самом начале XVIII ве ка французский математик Ж С чётко сформулировал, что звук — причём любой, не только благозвучие — можно рассматривать как природный процесс, подчиняющийся физическим законам. Науку, изучающую звуковые явления, он окрестил акустикой. Понимая, что звук — колебательное явление, Совёр нашёл способ измерить частоту звуковых колебаний и сопоставил её с ощущаемой человеком высотой тона. Столетие спустя другой французский исследователь, Ф С, решил и обратную задачу: с помощью быстро вращающегося зубчатого колеса, задевавшего зубцами за пластинку, он научился производить звук заданной частоты. Повышая обороты колеса, он добрался до частот, которые уже переставал слышать. Так был обнаружен ультразвук, диапазон частот звуковых колебаний которого выше границы чувствительности для человеческого уха.
Доступный человеческому уху диапазон звуковых колебаний простирается от 20 Гц и примерно до 20 кГц (верхняя граница у детей выше, но постепенно снижается с возрастом). Звук с более высокими частотами называется ультразвуком. Мы его не слышим, но он существует: его можно излучать и регистрировать приборами. Ультразвуковые волны с частотами выше 100 МГц и вплоть до сотен гигагерц обычно называют гиперзвуком. Такие колебания не способны распространяться в воздухе при нормальных условиях, но вполне возможны в более плотной среде, например, в воде. Но будьте осторожны с терминологией! В русском языке слово «гиперзвук» иногда используется как жаргонное сокращение для «гиперзвуковой скорости», то есть сверхзвуковой скорости летательных аппаратов, более чем впятеро превышающей скорость звука в воздухе.
Эти два значения слова никак не связаны друг с другом. Наконец, на частотах около терагерца (триллион герц) звуковая волна в среде рассыпается на отдельные коллективные колебания молекул — тепловые фононы. Максимальная частота фононов в плотном веществе — десятки ТГц. Звук более высокой частоты в обычном веществе невозможен. Гиперзвуковые колебания и фононы очень быстро затухают, поэтому они распространяются только на микроскопические дистанции. Однако в микроскопических устройствах их потоком можно управлять, чем и занимается наука фононика. Чем выше частота колебания f, тем меньше длина волны λ. Эти две характеристики связаны через скорость звука: λ = v/f. Скорость звука в воде составляет примерно 1500 м/с, так что частота 1 МГц соответствует длине волны 1,5 мм.
СПЕКТР УПРУГИХ ВОЛН
НАСЛЕДИЕ ВОЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Как только в XIX веке была измерена скорость звука в воде, возникла заманчивая перспектива — научиться ориентироваться под водой с помощью эха. Короткий громкий звук отражался бы от морского дна или от препятствий, возвращался к наблюдателю, и по времени задержки эха Δt можно было бы определить расстояние до препятствия: L=vΔt/2.
В течение всего XIX века исследователи пытались реализовать эту идею: в полный штиль они взрывали под водой петарды или били в подводные колокола — но никакого эха со дна услышать не удавалось. Катастрофа трансатлантического парохода «Титаник» в 1912 году — в условиях плохой видимости он столк нулся с айсбергом — подстегнула изобретателей. Уже месяц спустя британский математик, физик и метеоролог Л Ф Р получил два патента на эхолокацию в воздухе и под водой. Одна из ключевых идей его предложения — не излучать звуковые волны во все стороны, как это делали раньше, тратя звуковую энергию впустую, а фокусировать звук в направленный луч с помощью излучателя размером не менее трёх длин волн. Отсюда сразу следует, что компактные излучатели должны работать на высоких частотах, желательно в ультразвуке, иначе хорошей фокусировки не добиться. Хотя готового устройства Ричардсон не предложил, его разработки пригодились несколько лет спустя, когда началась Первая мировая война.
Подводный флот Германии наносил огромный урон торговым и военным судам Великобритании, Франции и США, и на борьбу с ним были брошены значительные ресурсы. После нескольких лет исследований французский физик П Л сконструировал мощный кварцевый электроакустический преобразователь (его ещё называют англицизмом трансдьюсер).Это устройство способно работать и как динамик (электрический сигнал превращается в звуковое колебание), и как микрофон (звук порождает электрическое колебание). Превращение происходит за счёт пьезоэлектрического эффекта — способности кварца деформироваться под действием электрического поля и, наоборот, порождать разность потенциалов при механической деформации. Именно с этого момента и принято отсчитывать эру современных ультразвуковых исследований.
Эхолот — узкоспециализированный гидролокатор для исследования рельефа дна
Первая мировая война к тому времени закончилась, но полученный технологический импульс привёл к бурному развитию гидроакустических исследований. Кварцевые трансдьюсеры позволяли детектировать объекты на удалении больше километра; ультразвук стал использоваться для телеграфии и даже телефонии; был создан эхолот — устройство для акустического измерения глубины моря. В годы Второй мировой войны прибор для подводной эхолокации получил звучное имя сонар и активно использовался всеми воюющими державами. В наши дни сонары с рабочими частотами от десятков килогерц до мегагерца широко используются для подводной археологии и даже рыбной ловли.
ЭХОЛОКАЦИЯ У ЛЕТУЧИХ МЫШЕЙ
На самом деле, с ультразвуком человечество познакомилось задолго до появления сонара. В конце XVIII века итальянский натуралист Л С обнаружил, что летучие мыши безошибочно ориентируются в закрытых помещениях даже в полной темноте. Своими экспериментами — не слишком милосердными, надо сказать — он продемонстрировал, что они используют для этого не глаза, а уши. И хотя Спалланцани высказал гипотезу о некотором «шестом чувстве», доступном летучим мышам, он остановился в шаге от догадки, что за эту способность отвечает неслышимый человеком ультразвук. Лишь в 1930-е годы, с появлением ультразвуковых микрофонов, было понято и доказано, что летучие мыши используют для ориентации и охоты ультразвук .
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ МЕДИЦИНСКАЯ ДИАГНОСТИКА
Звук может распространяться в любой плотной среде, в том числе и в человеческом теле. При этом он отражается от любых мест с перепадом плотности: от костей, от лёгких, от границ тех или иных органов, даже от крупных кровеносных сосудов. На этом и основана технология ультразвуковой диагностики: мы просто запускаем в тело ультразвук небольшой громкости, слушаем эхо и по времени задержки определяем, на какой глубине залегает граница раздела между органами. Казалось бы, всё просто. Но для получения двумерной УЗИ-картинки, а тем более видео в реальном времени, которое врач показывает будущей маме на экране УЗИ-аппарата, этот эксперимент с прослушиванием эха требуется повторить тысячи раз в секунду. Излучатель звука, который врач прикладывает к телу пациента, работает в импульсном режиме: ультразвук с частотой несколько мегагерц испускается короткими порциями длительностью около 1 мкс.
После каждого импульса наступает «период тишины»: трансдьюсер ничего не излучает, а, наоборот, слушает эхо. Испущенный импульс распространяется сквозь ткани, частично отражается каждый раз, когда натыкается на границу раздела сред, и возвращается к аппарату. Все эти «отголоски» — тоже в виде коротких и ослабленных импульсов — возвращаются к датчику в разные моменты времени. Компьютер измеряет время задержки, рассчитывает глубину, с которой пришло «эхо», и на этой глубине наносит штришок на УЗИ-карту. Чем глубже произошло отражение, тем позже приходит эхо.
Для глубины 15 см эхо приходит через 2×15 см/ /(1500 м/с) = 200 мкс. Поэтому, если мы хотим дождаться эха с такой глубины, новый импульс следует посылать не ранее чем через 200 мкс. За эти 200 мкс мы получаем лишь одномерную картину — чередование тканей вдоль ультразвукового луча. Зато её можно обновлять 1/(200 мкс) = = 5000 раз в секунду, причём необязательно всё время в одном направлении. Ультразвуковой луч можно плавно поворачивать и затем из сотни одномерных сканов, расположенных в виде веера, составить двумерное изображение. Нет необходимости поворачивать луч вручную: в ультразвуковом датчике, который врач прижимает к телу пациента, встроен моторизированный подвес, который сам покачивает излучатель из стороны в сторону десятки раз в секунду. Компьютер сводит воедино все эти данные и выдаёт полноценную двумерную эхограмму. И так — при каждом покачивании. В результате вся эхограмма успевает обновляться десятки раз в секунду, и на экране монитора мы видим настоящее ультразвуковое видео в реальном времени.
Какие частоты ультразвука следует использовать? Тут приходится идти на компромисс между желанием разглядеть мелкие детали и просканировать тело на большую глубину. С одной стороны, чем мельче орган, который мы хотим «рассмотреть» ультразвуком, тем меньше должна быть длина волны, иначе чёткой картины не получится. Звук на частоте f = 100 кГц обладает длиной волны 1,5 см; с его помощью можно разглядеть разве что крупные органы. Но при частоте 10 МГц и длине волны 0,15 мм ультразвук способен показать нам даже стенки крупных артерий. Казалось бы, давайте тогда возьмём УЗИ-прибор с максимальной частотой и просканируем тело на всю глубину. Увы, не получится: звук очень сильно поглощается биологическими тканями, причём чем выше частота, тем сильнее поглощение.
При частоте 10 МГц амплитуда звуковой волны ослабевает в мягких тканях вдвое на каждом сантиметре пути. Если изучаемый орган находится на глубине 10 см (десять дистанций затухания вдвое), ультразвук сначала ослабнет в 210 раз (в тысячу с лишним раз) на пути «туда» и, отразившись, ещё в тысячу раз — на пути обратно. До приёмника дойдет эхо с амплитудой в миллионы раз меньше, чем у исходной волны, и пытаться что-то разглядеть при таком слабом сигнале нереально. Поэтому частота 10 МГц используется лишь для УЗИ-наблюдений не глубже нескольких сантиметров (те же артерии). Если же требуется прозондировать глубины 10–20 см (УЗИ-обследование при беременности), то типичные частоты ультразвука составляют 3–5 МГц.
Пациентов иногда тревожат вопросы безопасности этой методики. Но ультразвуковые волны — это точно такие же колебания, что и обычный звук, только высо кочастотные. Физическое воздействие ультразвука на организм зависит прежде всего от его интенсивности, не от частоты. Для УЗИ-диагностики используется ультразвук низкой интенсивности, существенно ниже того порога, с которого вообще начинается какой-либо локальный нагрев тканей даже при длительном воздействии. Этот порог интенсивности был тщательно исследован ещё в 1950-х годах, что и доказало безопасность эхографии, в том числе и для УЗИ-обследования беременных женщин.
КАК РАБОТАЕТ СОНОГРАФИЯ?
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СКАЛЬПЕЛЬ
Кроме диагностики, ультразвук — но уже намного более интенсивный — используется и для воздействия на организм. Самое простое применение: физиотерапия для прогрева связок и суставов. Раз ультразвук поглощается при распространении, его энергия переходит в тепло и вызывает медленный нагрев тканей. Фокусируем ультразвуковую волну на нужный орган, подбираем частоту так, чтобы существенная часть звука поглощалась тканями, настраиваем интенсивность и длительность процедуры — и у нас появляется простой и надёжный способ изнутри воздействовать теплом на организм. Интенсивность звука можно повышать и дальше. Тот же Поль Ланжевен заметил в 1920-х годах, что, если в ёмкость с водой опустить руку, мощная ультразвуковая волна вызывает в ней ощутимую боль. В 1927 году Р В и А Л опубликовали результаты обстоятельного исследования, на что вообще способен ультразвук высокой интенсивности. Были описаны, среди прочего, нагрев и вскипание жидкостей и твёрдых тел, воспламенение деревянных образцов, эффект сверления при сильном прижатии и, наконец, разрушительное действие на живые клетки вплоть до летального исхода у рыб и мелких животных.
Треть века и одну мировую войну спустя, вооружившись обновлённым арсеналом инструментов, исследователи вернулись к ультразвуку высокой интенсивности уже с конкретной целью. В 1950-х годах в Университете Иллинойса (США) братья У и Ф Ф создали на его основе ультразвуковой скальпель, новый инструмент неинвазивной хирургии. Ультразвук подходящей частоты и интенсивности, сфокусированный в объёме размером в кубический миллиметр, способен за считаные доли секунды нагреть ткани выше точки кипения, не нанося при этом вред окружающим органам.
Такой инструмент позволяет «прижигать» ткани внутри тела для остановки внутреннего кровотечения, выжигать маленькие опухоли в труднодоступных местах, разрушать крупные камни в почках, проводить операции в глубине глаза. Сегодня фокусированный ультразвук высокой интен сивности — стандартный инструмент хирургии.
Мощный ультразвук не только нагревает вещество, но и порождает очень сильные колебания давления с амплитудой намного больше одной атмосферы. В фазе разрежения волна пытается физически разорвать вещество — и, если оно поддаётся, в фокусе ультразвукового луча происходит разрушение тканей.
