header
home
mail
карта сайта

Новости медицины

История медицинского ультразвука

Открытие ультразвука и пьезоэлектриков

В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только во второй половине ХХ века. Но этому событию предшествовало большое количество исследований и изобретений в физике, математике, материаловедении, электронике, биологии, которые произошли в науке, начиная с XV века.

Акустические волны, которые имеют частоту более 20 кГц и не воспринимаются органами слуха человека, получили название - ультразвук. Акустическая волна является механической, и ее распространение (скорость, амплитуда, фазо-частотные характеристики) зависит от физических свойств среды. К свойствам сред, оказывающих влияние на прохождение звуковой волны, можно отнести их состояние (газ, жидкость, твердое тело), плотность, однородность, упругость, температуру, давление и некоторые др.

В XV веке Леонардо Да Винчи использовал трубку, погруженную в воду, для определения движения и скорости встречи с вражескими кораблями на море.

Первые значительные исследования распространение звуковых волн в воде следует отнести к 1826 году, когда ученые из Швейцарии Колладон и Штурм (Jean-Daniel Colladen, Charles-Francois Sturm) провели серию опытов в Женевском озере, в результате которых удалось вычислить скорость распространения звука в воде ~ 1435 м/с – которая подтверждается современными методами измерений.

Франк Гальтон
Франк Гальтон

Свисток Гальтона
Свисток Гальтона

Пьер Кюри
Пьер Кюри
Исследование высокочастотных (так называемых ультразвуковых) колебаний началось в 1876 году, когда английский физик Франк Гальтон (Francis Galton) впервые получил высокочастотные звуковые волны с помощью устройства, которое в последствии получило название – свисток Гальтона. При продувании через трубку с тонкими стенками струи газа возникали высокочастотные колебания.

Но самым значимым для современной ультразвуковой техники открытием было получение колебаний в кристаллах с помощью электрического тока. В 1880 г в Париже братья Пьер и Жак Кюри (Pierre Curie, Jacques Curie) открыли пьезоэлектрический эффект - появление на гранях некоторых кристаллов электрических потенциалов во время механического воздействия на них и обратного эффекта – изменение формы кристаллов при приложении к граням электрического потенциала. В первых опытах по изучению данного эффекта были использованы кристаллы природного происхождения, но уже в XX веке появилась керамика с пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики – это основа любого современного медицинского ультразвукового оборудования.

Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект

Именно исследование в воде, равно как и открытие пьезоэлектриков, наиболее интересны для практического применения в ультразвуковой технике, так как наибольшее развитие получило оборудование для гидролокации, неразрушающего контроля и медицинской диагностики.

Гидролокация

После крушения корабля Титаник в 1912 году от столкновения с айсбергом вопрос оснащения кораблей гидролокаторами стал жизненно важным.

Александр Бэм
Александр Бэм

Первый эхолот (прибор для определения уровня воды) сконструировал австрийский физик Александр Бэм в 1912 году. Английское патентное бюро выдало первый патент на эхолот через месяц после катастрофы Титаника английскому метеорологу Левису Ричардсону (Lewis Richardson).

Спустя 2 года, в 1914 году, в США канадец Реджинальд Фессенден (Reginald Fessenden) создал эхолот, который стало возможно использовать на кораблях. Его прибор был способен определять местоположение айсберга на расстоянии 2-х миль от корабля.


Эхолот
Эхолот (Англия, 30-е гг.)

Ультразвуковая дефектоскопия

Дефектоскопист
Дефектоскопист за работой на верфи

В 1928 году советский ученый С.Я. Соколов своими исследованиями распространения ультразвука в металлах, создал основу современной ультразвуковой дефектоскопии. Исследования проводились в г. Ленинграде на базе ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина). Сергей Соколов ввел термин "звуковидение" и "звуковой микроскоп".

Первые опыты

Основные принципы работы медицинских ультразвуковых сканеров были заимствованы у гидролокаторов и дефектоскопов, которые применяли корабельные и авиационные заводы. Первыми исследователями медицинского ультразвука были люди, связанные с морем, авиацией и военной службой.

Первые опыты с ультразвуком
Первые опыты с ультразвуком на человеке и томограмма

Профессор Ян Дональд
Профессор Ян Дональд

Том Браун в лаборатории и первый А-сканер
Том Браун в лаборатории и первый А-сканер

В 50-х годах американцы Холмс и Хоур (Holmes, Howry) для достижения акустического контакта с объектом исследований, погружали человека в бак с дегазованной водой. Первые эксперименты проводились в орудийной башне от самолета B29. Сканирование производилось вокруг оси 360°. Полученное изображение фактически можно считать первой томограммой.

Ян Доналд во время второй мировой войны служил в Королевских ВВС Великобритании. Занимался !изучением и использованием технологий SONAR и RADAR на Гебридских островах на северо-востоке Великобритании. В 1954 он начал проводить ультразвуковые исследования в университете города Глазго в Шотландии. 21 июля 1955 года Ian Donald и доктор Wallace Barr провели исследования опухолей in vitro и обнаружили различие в сигналах, полученных во время A-сканирования твердой и кистозной опухоли.

Том Браун работал инженером в лаборатории Дональда и обеспечивал техническую поддержку проекта. Он создал совершенно новый прибор Mark 4. Mark 4 мог хорошо дифференцировать твердые и кистозные опухоли, и в одном случае спас жизнь женщины, выявив неоперабельный рак живота. Первый В-сканер был разработан в 1956 году Томом Брауном, как приставка к больничной кровати. Рядом - изображение с эхосигналом, отраженным от кожи (сверху) и от кишки.

Первый В-сканер
Первый В-сканер и абдоменальная картинка, полученная с его помощью