популярно о природе звука

Ультразвуковая томография

Для визуализации трещин в металлических деталях и заготовках зонд (щуп) обычно перемещают по поверхности металла. Выходные сигналы с ультразвукового зонда поступают на электронно-лучевую трубку- на ее экране получается изображение поперечного сечения заготовки. В 1950 году ультразвуковой зонд был использован в онкологии - для получения видимой картины опухоли груди. Это были первые ультразвуковые «рентгенограммы» человеческого тела.

Однако очень скоро установили, что при такой методике ультразвуковой пучок, распространяющийся в ткани, отражается практически лишь от поверхностей, перпендикулярных ему. Кроме того, область видимости ограничена шириной ультразвукового пучка. В связи с этим начались работы по созданию систем, способных осуществлять сложное сканирование. В них луч направляли на тело под различными углами (по возможности в широком интервале углов), и исследуемый участок как бы вырезался несколькими плоскостями, расположенными перпендикулярно соответствующим направлениям луча. В результате получалась картина среза тела. Отсюда и произошло название метода - томография, что в переводе с греческого означает буквально «запись среза». В отличие от рентгенограмм, на которых видны лишь кости и плотные образования вещества, томограммы дают нам полную картину структуры среза ткани.

Пока наиболее успешно томография применяется в акушерстве и гинекологии. Это объясняется, во-первых, тем, что матка идеально проводит ультразвук и, во-вторых, в отличие от рентгеновских лучей ультразвук не вредит плоду. В современных аппаратах ультразвуковое сканирование осуществляется автоматически. Для получения поперечных или продольных срезов зонд устанавливают соответствующим образом на животе пациентки и поворачивают вокруг своей оси, так что его луч сканирует всю брюшную полость, принимая при этом сигналы, отраженные от различных внутренних поверхностей брюшной полости. Затем зонд смещается на небольшое расстояние, и процедура повторяется. При  каждом положении зонда сигналы поступают на электронно-лучевую трубку - на ее экране возникает сложная картина, фотографируя которую мы получаем полную томограмму. Объединение всех томограмм, сделанных при различных положениях зонда, дает нам полную трехмерную картину положения плода.

Некоторые гинекологи считают, что с помощью ультразвука можно следить за развитием плода начиная с шести недель после зачатия, Другие же более осторожны в своих оценках. Метод ультразвуковой томографии позволяет на десятой - двенадцатой неделе беременности различать голову плода, а вскоре после этого - грудную клетку и плаценту. В некоторых случаях при определенных навыках в расшифровке томограмм по структуре и размерам плода удается определять очень точно его вес и возраст. Ультразвуковая томография позволяет также констатировать смерть плода (хотя для этого целесообразнее использовать устройства, основанные на эффекте Доплера) и обнаруживать некоторые новообразования.

Усовершенствования метода двумерной томографии, осуществленные американским ученым Фраем, привели к значительному усложнению ультразвуковых диагностических установок. Система включает цифровую вычислительную машину и может осуществлять сканирование по всем направлениям: зонд перемещается не только в плоскости сечения, но и по нормали к ней (правда, в ограниченных пределах), как бы перебирая сами сечения. В результате получается картина «ломтика» ткани. Она имеет вид рельефного слепка отраженных «застывших» звуков, похожих на горные линии и пики. По мнению Фрая, такая методика дает нам более детальную информацию о структуре исследуемого объекта, помогает выделять полезный сигнал на фоне помех и облегчает интерпретацию полученной картины. Свои основные исследования Фрай проводил на мозге обезьяны макака-резус.

Установки для ультразвуковой диагностики, используемые в медицине и промышленности, обычно работают на частотах порядка нескольких мегагерц. Они обеспечивают хорошее разрешение при исследовании в отраженном звуке объектов с поперечными размерами в несколько миллиметров. Конечно, увеличивая частоту (и снижая тем самым проникающую способность), можно повысить разрешение. При частотах около 1000 МГц и выше длина волны звука приближается к световой. Тогда метод ультразвуковой дефектоскопии позволит нам различать объекты, которые можно видеть лишь с помощью оптического микроскопа. В настоящее время возник значительный интерес к созданию акустических микроскопов, в которых используется обычный метод сканирования. Но так как даже самые высокие доступные частоты ультразвука намного ниже частот световых колебаний, то можно надеяться, что уровень помех при получении звукового изображения будет значительно ниже, чем в случае оптического. (А ведь всем знакомы эти помехи, которые иногда «снежными хлопьями» забивают экраны наших телевизоров.) Группа американских ученых работает над созданием акустического микроскопа, разрешающая способность которого в 10000 раз выше оптического.