Ултразвукови методи за изследване на кондензираната материя Г. Екснер 1. КРАТКИ ИСТОРИЧЕСКИ БЕЛЕЖКИ ЗА ОТКРИВАНЕТО, РАЗВИТИЕТО И ПРИЛОЖЕНИЯТА НА УЗ В КОНДЕЗИРАНАТА МАТЕРИЯ Съвременните приложения на ултразвука (УЗ) за изследване на кондензираната материя са свързани основно с образно-диагностични методи в медицината. Самите образни медицински методи водят началото си от откритието, че рентгеновите лъчи правят човешкото тяло „прозрачно“. Разработването на различните диагностични техники (с рентгенови лъчи и с помощта на магнитно поле) дава тласък на развитието и на идеята и УЗ да бъде използван за такива цели. Така се стига до бум на УЗ образнодиагностични техники, които става неизменна част от съвременната медицинска диагностики. По настоящем УЗ тестове представляват около 25 % от провежданите лабораторни диагностични изследвания. Те биват използвани при бременност и проследяване развитието на фетуса, в кардиологията, урологията, сърдечно-съдовата хирургия, гинекологията, в спешната медицина, офталмологията и мн. др. Основно предимство на УЗ диагностика в медицината е нейната неинвазивност, безвредност и на бързината на получаване на резултатите. Изследванията могат да бъдат правени както в болнични заведения, така и на терен (с помощта на портативни уреди). Най-съвременните методи са свързани с тримерни образи в реално време. Създаването на УЗ медицински диагностични методи е свързано с решаването на някои специфични задачи: премахването на нерелани фантомни образи (артефакти), ниска чувствителност към определени заболявания (например при стенози) и някои технически ограничения (например за изследване на органите в гръдния кош, или на шийните прешлени). През 1997 година се появяват и изследвания на кондензираната материя извън медицината. С помощта на УЗ спектроскопия се оказва възможно да се определят еластичните свойства на кристалите. Разработването и усъвършенстването на този метод е все още в прогрес, но ще бъде описано в настоящите лекции. Предвид силната взаимовръзка между различните образно-диагностични методи, е добре да се погледне в исторически план възникването им. 1.1. Основни исторически моменти от развитието на образната диагностика Началото на образната диагностика в медицината е положено веднага след откриването на рентгеновите лъчи в края на 1895 година. В своята първа публикация проф. Рьонтген оповестява, че голям брой материали са прозрачни за новите „х-лъчи“, както ги нарича той, като в потвръждение разпространява снимка на ръката на съпругата си, получена върху плака при облъчване с рентгенови лъчи [1]. Веднага след първата публикация (още през следващата година, два месеца след откритието) рентгеновите лъчи са използвани от медици за визуализиране на куршуми в тялото на пациенти, както и за намиране на проблемните места при счупвания на костите. За развитието на образната диагностика от Рьонтген до днес следва да бъдат отбелязани следните важни събития и хора (Фиг.1): - 1895 г. Вилхелм Рьонтген (Wilhelm Rontgen) открива рентгеновите лъчи. За изключителния му принос към здравето на хората проф. Рьонтген е удостоен с първата в историята Нобелова награда през 1901 година [2]; - 1942 г. Неврологът Карл Teодoр Дюсик (Karl Тheodore Dussik) използва сонографията (ултразвук) за диагностициране на мозъчен тумор; Л1/1 Ултразвукови методи за изследване на кондензираната материя Г. Екснер - 1946 г. Открит е феноменът ядрено-магнитен резонанс от Едуард Пърсел (Edward Purcell) и Феликс Блох (Felix Bloch). За това си откритие двамата получават Нобелова награда за физика през 1952 година „за техните открития, свързани с магнитно-резонансното изобразяване” [2]; - 1948 г. Интернистът Джордж Лудвиг (George D. Ludwig) разработва първия A-мод ултразвуков апарат; - 1970 г. Пол Лаутербур (Paul C. Lauterbur) и Сър Питър Мансфилд (Sir Peter Mansfield) прилагат принципите на ядрено-магнитния резонанс за визуализиране на вътрешната структура на човешкото тяло. Приносът на двамата учени е признат, като през 2003 г. те са удостоени с Нобелови награда „за техния принос в разработването на нови методи за прецизни ядрено-магнитни измервания и за откритията, свързани с тях” [2]; В. Рьонтген [2] К. Дюсик [3] Е. Пърсел [2] Ф.Блох [2] Дж. Лудвиг [3] П. Лаутербур [2] Сър Мансфилд Г. Хоунсвилд [2] А. Кормак [2] К. Баба [4] [2] Фигура 1.1. Снимки на личности, свързани с развитието на образната диагностика. - 1972 г. Годфри Хоунсфилд (Godfrey N. Hounsfield) извършва първите рентгенови компютърно-асистирани аксиални томографски (CAT) експерименти. Алан Кормак (Allan M. Cormack) е другият учен, работещ в същата област по същото време. Заслугите на двамата за развитието на рентгеновата образна диагностика са признати, като те стават лауреати на Нобелова премия през 1979 година „за развитието на компютърно-подпомогнатата томография” [2]; - 1970 г. – 1980 г. Осъществени са първите позитронно-емисионни томографски експерименти (PET); - 1980 г. – 1986 г. Казунори Баба (Kazunori Baba) разработва първата 3D ултразвукова технология и заснема първите тримерни снимки на фетус (дете в утробата на майката); Л1/2 Ултразвукови методи за изследване на кондензираната материя Г. Екснер - 1980 г. -1990 г. Годините са белязани с екстремно бързото развитие на метода, известен като магнитна резонансна образна диагностика (MRI). Благодарение на разработването на бързи магнити, мощни компютри и детектори от ново поколение, получаването на образи става по-бързо и с по-висока резолюция. MRI e в състояние да изобрази дори мозък по време на неговото действие и да локализира активираните центрове, като по този начин се диагностицират болести, като епилепсия и др.; - 2000 г. Правят се опити за директна визуализация чрез МRI на действието на лекарства върху човешкия организъм; - до днес В много страни по света се правят значителни инвестиции за намиране на нови образно-диагностични методи като образно-напътствана радиационна терапия (image-guided radiation therapy), образно сливане (fusion imaging) и мн. др. 1.2. Исторически бележки за развитието на науката за ултразвука и приложението му в изследване на кондензираната материя Трудно е да се определи кога точно е положено началото на науката за ултразвука, като в литературата може да бъде намерена различна, дори в някои случаи противореча информация по въпроса. Предложеният тук вариант е базиран основно на три литературни източника [3, 5, 6], като снимки на някои от споменатите в текста личности са показани на Фиг. 1.1 и Фиг.1.2: - 1794 г. Физиологът Лазаро Спаланзани (Lazzaro Spallanzani) е ученият, който доказва способността на прилепите да се ориентират в тъмнината с помощта на отразяване на високо-честотни сигнали, които са недоловими за човешкото ухо. Феноменът, известен понастоящем като ехо-локация, се явява по същество основата на физиката за ултразвука; - 1826 г. Жан-Даниел Коладон (Jean-Daniel Colladon) успешно измерва скоростта на звука под вода по време на специално планиран за целта опит в Женевското езеро. Той получава стойност от 1435 m/s, която е в добро съответствие с направените по-късно много по-прецизни експерименти. Коладон реализира експеримента си заедно с математика Чарлз-Франсоа Щтурм (Charles-Francois Sturm), като е използван подводен звънец. Звънецът е бил ударен заедно със запалването на барут под водата. Искрата от запалването е била наблюдавана на 10 мили и е била сравнена с времето за пристигането на звука от звънеца, слушан с помощта на устройство, подобно на тромпет; - 1876 г. Английският физик Франсис Галтон (Francis Galton) изобретява „свирката на Галтон” – Фиг. 1.3 [7, 8], с която успява да генерира високо-честотен звук в диапазона недоловим за човешкото ухо. Тази свирка е била направена за установяване горната граница на чуване на звук от човешкото ухо. Конструирана е от месингова тръба с вътрешен диаметър около 2 милиметра. Свирката работи чрез преминаването на газова струя през отверстието и попадането ú в резонаторна част. С преместване на буталото на свирката размерът на резонатора се променя, позволявайки промяна във височината на звука от диапазона на чуване до ултразвуковия. По този начин Галтон установява, че нормалният човешки слух достига до около 19 kHz; - 1877 г. Лорд Релей (Lord Rayleigh) публикува трактат на тема „Теория на звука”, формулирайки математичното описание на звуковите вълни и по този начин открива пътя за практическото развитие на акустиката; Л1/3 Ултразвукови методи за изследване на кондензираната материя - 1877 г. Г. Екснер Братята Пиер и Пол-Жак Кюри (Pierre и Paul-Jacques Currie) откриват ефекта, наречен пиезоелектричност, като наблюдават поява на електричен потенциал при прилагане на механично напрежение върху кварцов кристал (напр. Rochelle salt - sodium potassium tartrate tetrahydrate - KNaC4H4O6・4H2O). Пиер Кюри е носител на Нобелова награда от 1903 година, макар тя да му е присъдена за откриването на естествената радиоактивност [2]; Л. Спаланзани [3] Ф. Галтон [9] Лорд Райли [3] П. и П.-Ж. Кюри [10] Г. Липман [2] П. Ланжвeн [3] Ш. Накайима [3] Р. Учида [3] Джон Райд [3] Джон Уайлд [3] Д. Хоури [3] Дж. Холмс [3] Фигура 1.2. Снимки на личности, свързани с развитието на науката за ултразвука и ултразвуковата образна диагностика. Фигура 1.3. Оригинален вид на свирка на Коладон [7] (ляво), модификация на свирката на Коладон [8] – дясно Л1/4 Ултразвукови методи за изследване на кондензираната материя Г. Екснер - 1881 г. Габриел Липман (Gabriel Lippman) описва теоретично съществуването на обратен пиезоелектричен ефект, който е потвърден експериментално отново от братята Кюри. Тези две открития имат изключително голямо значение, тъй като са в основата на изработването на най-съществената част от ултразвуковата апаратура – ултразвуковите трансдюсери (иltrasound transducerс), които излъчват и приемат вълните. Липман е Нобелов лауреат за 1908 година, но отново в друго направление, а именно „за възпроизвеждане на цветна фотография, базирано на феномена интерференция” [2]; - 1912 г. Александер Белм (Alexander Belm) за първи път описва подводно ехолокационно устройство (годината, през която потъва кораба „Титаник”), а първият патент за такова устройство датира месец след потъването на кораба; - 1915 г. Годините от 1912 до 1918 г. са свързани с разработването на няколко вида подводни звукови устройства, в различни страни. Измежду създателите им следва да бъде отличен френския физик Пол Ланжвeн (Paul Langevin), който изобретява първото мощно високо-честотно звуково устройство, способно да открива обекти под вода и по-конкретно на дъното на морето. Ланжвeн нарича своето изобретение хидрофон (hydrophone), който понастоящем е дефиниран от Световния конгрес по ултразвук и медицинско образование като първият в света трансдюсер; - 1928 г. Сегрей Солоков изобретява първия ултразвуков метален дефектоскоп, чийто принцип се прилага по-късно в образната диагностика; - 1928 – 45 г. са свързани с прогрес в създаването на електронни елементи, компютри и радарни системи, явяващи се необходимите предпоставки за осъществяване на визуализацията с помощта на ултразвукови вълни; - 1942 г. Неврологът Карл Теодор Дюсик (Karl Тheodore Dussik) e първият учен, използвал сонографията за медицинска диагностика. Той прилага ултразвук за диагностика на мозъчни тумори и детекция на мозъчните гънки. Методиката му се базира на пропускване на ултразвук през човешкия скелет, потопен във вода. Резултатите са публикувани през 1942 година [11]. Прилаганата процедура е била наречена „хиперфонография” (hyperphonography); - 1948 г Интернистът Джордж Лудвиг (George D. Ludwig) поставя началото на системното изследване на ултразвука за създаване на апаратура за медицинска диагностика. Лудвиг има за цел да създаде апарат за откриване на чужди обекти в човешкото тяло и по-конкретно бъбречни камъни. Така е създаден първият А-мод ултразвуков апарат; - 1949 г. Шигеру Накайима (Shigeru Nakajima) и Рокуро Учида (Rokuro Uchida) разработват първия ултразвуков А-мод скенер; -1952 г. Инженерът Джон Райд (John M. Reid) и Джон Уайлд (John Julian Wild) изобретяват линейния ръчен B-мод инструмент, опериращ при 15 МHz. Изобретението е публикувано в статията "Application of Echo-Ranging Techniques to the Determination of Structure of Biological Tissues", в която авторите показват възможността да се визуализират тумори на гърдата. Това постижение е всъщност първата снимка на напречно сечение на мека тъкан. Двамата наричат метода си ехография (echography) или ехометрия (echometry); - 1952-53 г. Радиологът Дъглас Хоури (Douglass Howry), един от пионерите в областта на B-мод инструментите, разработва 2D апарат, които пресъздава точно сеченията Л1/5 Ултразвукови методи за изследване на кондензираната материя Г. Екснер и структурите, получени в патологичната лаборатория. Устройството е разработено съвместно с Джоузеф Холмс (Joseph Holmes) и е наречено „потопяваща се ултразвукова контейнерова система” (Immersion tank ultrasound system) (Фиг1.4); Фигура 1.4. Първи ултразвукови диагностични системи, наречени „потопяващи се ултразвукови контейнерови системи” [3]. - 1966 г. Дон Бейкър (Don Baker), Денис Уоткинс (Dennis Watkins) и Джон Райд (John Reid) проектират импулсната доплерова ултразвукова технология, която спомага онагледяването на движението на кръвта; - 1970 s. Разработват се непрекъснат доплеров, спектрален доплеров и цветен доплеров ултразвукови инструменти; -1976 г. I. Ohno in 1976, докладва успех в ултразвукова резонансна спектроскопия на паралелепипед; - 1980 s. Казунори Баба (Kazunori Baba) създава първата 3D ултразвукова технология, с помощта на която през 1986 година Баба прави първите успешни триизмерни образи на фетус; - 1990 г. Създадена е 4D (в реално време) образната диагностика; Най-съвременните тенденции в развитието на ултразвуковата диагностика са в посока усъвършенстване на трансдюсерите, като се намаляват техните размери, увеличaва се работната им честота и се търсят възможности за разработване на широкочестостни такива [12-16]. Използвана литература: 1. http://www.ob-ultrasound.net/history1.html 2. http://www.ultrasoundschoolsinfo.com/history/ 3. http://www.aip.org/history/curie/pierre.htm 4. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1908/index.html 5. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/curie/ 6. Dussik, K.T. Über die moglichkeit hochfrequente mechanische schwingungen als diagnostisches hilfsmittel zu verwerten, Z Neurol Psychiat, (1942),174, 153 Л1/6 Ултразвукови методи за изследване на кондензираната материя Г. Екснер 7. Wixom A. S., Anderson M J., Bahr D. F, Morris D. J., A new acoustic transducer with a pressure-deformed piezoelectric diaphragm, Sensors and Actuators A: Physical, (2012), 179, 204-210 8. Holland G. A, Mironov O., Aubry J.-F., Hananel A., Duda J. B., High-intensity Focused Ultrasound, Ultrasound Clinics, (2013), 8(2), 213–226 9. Wang W , Or S. W., Yue Q, Zhang Y., Jiao J., Leung Ch. M., Zhao X., Luo H., Ternary piezoelectric single-crystal PIMNT based 2-2 composite for ultrasonic transducer applications, Sensors and Actuators A: Physical, (2013), 196(1), 70–77 10. Jeong J.S., Shung K.K., Improved fabrication of focused single element P(VDF-TrFE) transducer for high frequency ultrasound applications, Ultrasonics, vol. 53, no. 2, pp. 455-458, (2013) 11. Khuri-Yakub B. T., Oralkan Ӧ., Capacitive micromachined ultrasonic transducers for medical imaging and therapy, J. Micromech. Microeng., (2011), 21, http://iopscience.iop.org/09601317/21/5/054004 12. Bulavin L.A., Zabashta Yu. F., “Ultrasonic Diagnostics in Medicine – Physical Foundations”, IDC Publishers, 2007 13. Джанколи Д., Физика 1ва част, изд. Мир, 1986 14. Фулър Х., Фулър Р, Фулър Р, Физиката в живота на човека, изд. „Наука и изкуство”, София, 1988 15. Ст. Йорданов, Физика 2, , изд. „Екс-Прес“, 2007 16. М. Борисов, К. Маринова,“ Увод във физиката на твърдото тяло – 1ва част“, изд. Наука и изкуство, София, 1977 Л1/7