История ультразвуковых волн. Ультразвуковая диагностика в медицине.

Одно из значимых достижений медицины 20 века – ультразвуковое исследование. Сегодня уже сложно представить, что совсем недавно врачи обходилась без УЗИ. Всего за полвека ультразвук стал главным методом диагностики для выявления большинства заболеваний. При своей высокой информативности, данный метод  лучевой диагностики является совершенно безопасным для пациентов.

Начало. Эхолокация

Догадки о наличии в природе звуковых волн, которые не видит и не чувствует человек, подтвердил в 1794 году  итальянский физик Ладзаро Спалланцани, именно он стал первооткрывателем «невидимых лучей».  В своём опыте он ослепил летучих мышей, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Тогда  ученый решил проанализировать механизмы навигации ночных зверей. Благодаря своим наблюдениям пришел к выводу – что они использовали именно звук, а не свет для ориентации в пространстве. Такой способ определения местоположения при помощи звуковых волн, отражающихся от объектов в окружающей среде, наиболее известен как эхолокация. По этому же принципу работает и ультразвуковая диагностика.

Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку доказать ничего было нельзя — короткие ультразвуковые сигналы в то время невозможно было зафиксировать.

Только спустя век идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана снова в 1912 году Хайремом Стивенсом Максимом. По его предположению летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.

В 1920 году англичанин Х. Хартридж воспроизвел опыты Спалланцани. Позже в 1938 году биоакустик Д. Гриффину и физик Г. Пирсу нашли тому подтверждение. Тогда и было предложено название эхолокация.

Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов, также её используют землеройки, ряд видов ластоногих и птиц.

Рождение гидроакустики. Первые научные опыты

Первые научные опыты с ультразвуком стали проводиться еще в XIX в. Когда швейцарский учёный Даниель Колладен в 1822 году погружал в Женевское озеро подводный колокол, благодаря этому опыту ему удалось вычислить скорость звука в воде. Данное событие предопределило рождение гидроакустики.

Преобразователь ультразвука

Спустя 6 десятилетий, в 1883 году, британский исследователь Фрэнсис Гальтон создал аппарат, способный производить звуковые волны частотой 40 герц (свисток Гальтона). В том же году братья физики Жак и Пьер Кюри заметили, что электричество может создаваться в кристалле кварца при механических колебаниях. Это явление было названо пьезоэлектрическим эффектом. Братья Кюри также открыли обратный пьезоэлектрический эффект, способность жидкого кристалла производить электричество под действием колебаний, производимых ультразвуковой волной. Это открытие легло в основу создания из пьезоэлементов преобразователя ультразвука – главного компонента любого УЗ-оборудования.

Гидролокация

В начале XX века благодаря  сразу нескольким учёным из разных стран: австрийцу Э. Бэму, англичанину Л. Ричардсону, американцу Р. Фессендену стало возможным обнаружение объектов под водой при помощи эха – гидролокации. Гидролокаторы сканировали морские глубины, благодаря чему стало возможным находить подводные препятствия, затонувшие корабли, а в годы I мировой войны – вражеские субмарины.

Дефектоскоп

Своё место УЗ нашел в промышленности, когда в  1927 году советский физик Сергей Яковлевич Соколов показал способность ультразвука проходить через металлы без заметного поглощения. Он применил это явление для обнаружения дефектов в металлах, положив начало ультразвуковой дефектоскопии в 1928 году. Разработал различные конструкции ультразвуковых дефектоскопов. Выдвинул идею исследования структуры твёрдых тел и фазовых переходов ультразвуковым методом. В 1935 году предложил методы преобразования звуковых изображений в видимые с помощью электронно-акустической трубки-преобразователя и создал аппаратуру звуковидения, которую назвал ультразвуковым микроскопом. Заложил основы акустической голографии. Разработал первый кварцевый анализатор звука. Исследовал дифракцию света на ультразвуке. Выдвинул идею использования дифракции света в ультразвуковом поле в твёрдых и жидких средах для модуляции светового пучка.

Ультразвук в медицие

Первые попытки внедрения ультразвука в медицину относятся к 30-м годам XX века. Его свойства начали применять в физиотерапии артритов, экземы и ряда других заболеваний.

А вот использование ультразвука в качестве инструмента диагностики началось во время Второй мировой войны. Первой опубликованной работой по медицинскому ультразвуку стала работа австрийского доктора психоневролога Карла Теодора Дуссика. Это было ультразвуковое исследование головного мозга. 1 мая 1941 года психиатр сообщил о своих опытах, показавших, что ультразвук можно использовать для диагностики. Это день рождения УЗИ.

В 1947 году он представил метод, названный гиперсонографией. Доктору Дюссику удалось обнаружить опухоль мозга, замеряя интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента. Именно этого учёного называют родоначальником современной УЗ-диагностики.

Рефлектоскоп

В 1941 году исследователь из Англии  Дональд Спроул создал отдельное устройство – приемник, собирающий волны, отразившиеся от материала.

А в 1944 году Флойд Файрстоун получил патент на рефлектоскоп. Это была первая  система, где один и тот же преобразователь генерировал ультразвуковые волны и тут же регистрировал отраженные волны в промежутках между передаваемыми волновыми импульсами.

Первый аппарат УЗД

Первый аппарат для медицинского сканирования УЗД был сконструирован  американским ученым Дугласом Хоури Хаури в 1949 году. В основу данного проекта легли наработки его предшественников. Конечно, это и последующие творения Хаури мало напоминали современные приборы. Потому что это был резервуар с жидкостью, в которую помещался пациент. Для этого пациенту необходимо было долгое время сидеть неподвижно, а все это время вокруг него передвигался сканер брюшной полости – сомаскоп.

Эхография

Примерно в это же время американский хирург Дж. Уайлд создал портативный прибор с подвижным сканером, который выдавал в режиме реального времени визуальное изображение новообразований. Свой метод он назвал эхографией.

60-е гг ХХ века

В последующие годы УЗИ-сканеры совершенствовались, и к середине 60-х годов они стали приобретать вид, близкий к современному оборудованию с мануальными датчиками.

УЗ-исследования получили свое широкое распространение в эти годы, потому что стали коммерчески доступными системами. В этот же период стали выдаваться лицензии на проведение медицинских исследований. Так в 1965 году появился первый УЗИ-аппарат — который можно было использовать в режиме реального времени. Практически сразу ультразвуковое исследование стало использоваться в гинекологических отделениях многих европейских больниц.

Активное развитие 70-х

В 70-х годах создавались более быстрые системы, включающие цифровое формирование луча, большее усиление сигнала и новые способы интерпретации и отображения данных, такие как энергетический допплер и трехмерное изображение, это стало возможным благодаря активному развитию вычислительных систем.

В 1986 году появился УЗИ-аппарат, основанный на технологии 3D-ультразвука, так было получено трехмерное изображение плода.

Современные технологии в УЗИ

Сейчас УЗИ аппарат есть практически в каждой медицинском учреждении. Разработки новых устройств продолжаются, на рынок выходят каждый раз новые аппараты, задавая новые тенденции в развитии диагностики.

Методы ультразвуковой диагностики продолжают активно развиваться. Двухмерную визуализацию сменяют объёмные картинки, благодаря которым стало возможным «путешествовие» внутри полостей тела, воссоздание внешнего вид плода.

Сегодня есть трёхмерное УЗИ, которое создаёт 3D изображение в любом ракурсе; эхоконтрастирование, которое отличается повышенной точностью диагностики; тканевая технология с улучшенным качеством и контрастностью изображения; соноэластография помогает по характеру сокращения тканей определять патологические изменения; ультразвуковая томография – совершенно безвредная методика, но аналогичная по информативности КТ и МРТ; 4 D – узи похожее по качеству изображения на эндоскопическое исследование.