Первые опыты с ультразвуком
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.
Исследование высокочастотных (так называемых ультразвуковых) колебаний началось в 1876 году, когда английский физик Франк Гальтон впервые получил высокочастотные звуковые волны с помощью устройства, которое впоследствии получило название – свисток Гальтона (рис.1). При продувании через трубку с тонкими стенками струи газа возникали высокочастотные колебания.
Рисунок 1 Свисток Гальтона
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 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. 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.
Первые опыты с ультразвуком в медицине
Карл Теодор Дуссик, психиатр и невропатолог, начал изучать ультрасонографию в конце 1930-ых годов вместе с его братом Фридрихом, физиком. В 1937 году, братья Дуссики использовали передатчик в 1,5 МГц, чтобы зарегистрировать изменения в амплитуде энергии, обнаруженной при сканировании человеческого мозга. Эти изображения, называемые гиперфонограммами, соответствовали областям уменьшенной волновой передачи (затухание), считалось, что они являлись боковыми желудочками. Основываясь на разнице в волновой передаче между опухолевой и нормальной тканью, Дуссик предположил, что ультразвук мог бы обнаруживать опухоли мозга. К сожалению, как было позже определенно Гуттнером в 1952, эти изображения, сделанные Дуссиком были отображением различия в толщине кости. Вскоре после того, как это было обнаружено, Комитет по ядерной энергии Соединенных Штатов сообщил, что ультразвук не играет никакой роли в диагностике опухолей мозга; исходя из этого, финансирование исследований ультразвука в медицинских целях в Соединенных Штатах было сильно сокращено в последующем десятилетии.
Другой вопрос, который препятствовал исследованию диагностического ультразвука в медицине, был акцент на его разрушительных аспектах. Во время своего изучения подводной передачи сверхзвуковых звуковых волн, Лангевин описал разрушение стаи рыб и болезненного ощущения, после того, как он поместил свою руку в резервуар с водой. В 1944 Линн и Путнам попытались использовать ультразвук для разрушения мозговой ткани подопытных животных. Ультразвук нанёс значительный ущерб ткани мозга и скальпу, что привело к широкому разнообразию неврологических осложнений от временной слепоты до смерти. Позже, Фрай и Мейеры выполнили трепанации черепа для того, чтобы ампутировать некоторые части базальных ядер у пациентов, с диагнозом Болезни Паркинсона. Другие подобные изучения также подчеркивали разрушение ткани, и это быстро привело к отказу от ультразвука как нейрохирургического инструмента.
Дуглас Хоури, другой первопроходец 1940-ых годов, сыграл важную роль в развитии ультразвука и ультразвуковых устройств. Хоури, в отличие от Уайлда, сконцентрировался больше на развитии оборудования и прикладной теории ультразвука, чем ее клиническом применении. Работая с У. Родериком Блиссом, инженером - электриком, Хоури начал конструировать первый сканер режима B 1949 г. Хоури был заинтересован как поведением ультразвуковых волн в ткани, так и в конструировании функциональной ультразвуковой машины. После того, как он успешно разработал ультразвуковую машину, которая дала последовательно точные и воспроизводимые результаты, он начал исследование в человеческих объектах.
В 50-х годах американцы Холмс и Хоур 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 (рис.2).
Рисунок 2. Первые опыты с ультразвуком на человеке и томограмма
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 Ян Дональд и доктор Уэльс Барр провели исследования опухолей 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.