Биофизика ультразвука и его использование в диагностике

Введение

Современная медицина немыслима без применения физических методов исследования организма. Одним из наиболее безопасных и информативных методов является ультразвуковая диагностика (УЗИ). Основой этого метода служат физические свойства звуковых волн высокой частоты, которые взаимодействуют с биологическими тканями. Биофизика ультразвука изучает эти взаимодействия, механизмы распространения, отражения и поглощения звуковых волн в живых системах.

1. Физическая природа ультразвука

Ультразвук — это механические колебания среды с частотой выше 20 кГц, то есть выше порога слышимости человеческого уха. В медицине используются частоты от 1 до 15 МГц, что позволяет получать изображения внутренних органов с различной степенью детализации.

Скорость распространения ультразвука зависит от плотности и упругости ткани. Например:
• в мягких тканях — около 1540 м/с,
• в костной ткани — до 4000 м/с,
• в воздухе — всего 330 м/с.

Эти различия лежат в основе формирования эхосигнала, который фиксируется ультразвуковым датчиком.

2. Взаимодействие ультразвука с биологическими тканями

Когда ультразвуковая волна проходит через ткани, часть энергии отражается от границ раздела сред с разной плотностью, часть поглощается тканями (превращаясь в тепло), а часть рассеивается на неоднородностях.

Именно отражённая часть волны используется для построения ультразвукового изображения. Поглощение и рассеяние зависят от структуры тканей: например, жидкость почти не отражает ультразвук, а кость и воздух создают сильные помехи.

Изображение 1 : Схема взаимодействия ультразвука с тканями

3. Принцип работы ультразвукового сканера

Основным элементом УЗ-аппарата является пьезоэлектрический датчик, который способен преобразовывать электрические импульсы в ультразвуковые колебания и обратно — принимать отражённые волны, превращая их в электрический сигнал. После обработки сигналов компьютером формируется изображение внутренних органов в режиме реального времени.

Существуют разные виды ультразвуковых исследований:
• A-режим (амплитудный) — используется в офтальмологии;
• B-режим (яркостный) — формирует двумерное изображение органов;
• Допплер-режим — позволяет измерять скорость кровотока.

Изображение 2 : Современный ультразвуковой аппарат

Изображение 3 : Портативный ультразвуковой сканер

4. Применение ультразвука в диагностике

Ультразвук широко применяется благодаря своей безопасности, неинвазивности и доступности. Основные направления:
• Акушерство и гинекология — наблюдение за развитием плода;
• Кардиология — исследование работы сердца (эхокардиография);
• Нефрология и урология — диагностика заболеваний почек и мочевого пузыря;
• Гастроэнтерология — оценка состояния печени, желчного пузыря, поджелудочной железы;
• Сосудистая диагностика — исследование кровотока с помощью эффекта Допплера.

5. Биофизические аспекты безопасности

Несмотря на то что ультразвук — механическая волна, при слишком высокой интенсивности он может вызывать нагрев тканей и кавитационные эффекты (образование микропузырьков). Однако в медицинских аппаратах используются строго контролируемые параметры, что делает процедуру безопасной для человека.

6. Перспективы развития

Современные исследования направлены на повышение разрешающей способности изображений, разработку 3D и 4D-сканеров, сочетание ультразвука с другими методами визуализации (например, УЗ-МРТ-гибриды), а также применение терапевтического ультразвука для разрушения опухолей, растворения тромбов и целенаправленной доставки лекарств.

Заключение

Биофизика ультразвука — это наука на стыке физики, биологии и медицины. Понимание физических механизмов распространения звуковых волн позволяет создавать высокоточные диагностические приборы, обеспечивая врачу «взгляд внутрь» организма без хирургического вмешательства. Ультразвуковая диагностика остаётся одним из наиболее универсальных, безопасных и информативных методов исследования в современной медицине.