Предисловие редакторов перевода

Настоящая книга написана коллективом авторов из Великобритании и США. Ее редактор и один из авторов — профессор Кристофер Хилл (Институт онкологических исследований, Королевский госпиталь Марсдена, Великобритания). Он известен не только своими классическими работами по медицинской акустике, — это один из организаторов международного сотрудничества по применению ультразвука в медицине и биологии.

Современная медицина немыслима без ультразвуковых диагностических аппаратов. Они нужны для визуализации глубоких структур организма и внутренних органов, для характеризации тканей, а также для контроля параметров движущихся сред и структур, например, при изучении кровотока или работы различных участков сердца. Ультразвук лежит в основе принципиально новых методик в хирургии и особенно микрохирургии. Физиотерапевтическая ультразвуковая техника успешно применяется при лечении различных заболеваний. Ультразвук применяется столь широко не только из-за своих уникальных возможностей в медицине, но и из-за относительной безопасности для человека.

Медицинская акустика — быстро развивающаяся область науки и техники. В данной монографии читатель найдет изложение физических основ применения ультразвука в медицине, описание методов визуализации биологических тканей и органов, методов получения информации о движущихся средах и структурах; существенное место в книге занимают биофизические основы механизмов действия ультразвука, его применения в различных областях медицины, а также проблемы безопасности.

Нам представляется важным отметить существенную роль, которую эта книга несомненно сыграет в формировании научного подхода в медицинской акустике и ее конкретных применениях. При этом авторы критичны и не стремятся в понимании того или иного явления создать впечатление законченности и полной ясности, если на самом деле их нет. Таким образом, данная книга безусловно

будет способствовать развитию знания и умения в той области, состояние которой касается нас всех, — в медицине.

Как нам кажется, для советского читателя книга будет особенно полезна и прежде всего из-за отставания СССР в наиболее важной области медицинской акустики — визуализации внутренних органов и процессов для целей медицинской диагностики. Исследования и разработки у нас вышли на высокий уровень, но его уже недостаточно. Чтобы реализовать огромные возможности ультразвуковых методов в медицине, необходимо овладеть научными основами этих методов. Необходимо правильно понимать практические задачи. Нужно повысить квалификацию инженеров-разработчиков и заинтересовать медиков. Данная книга обобщает опыт именно такого подхода и должна способствовать развитию медицинской акустики в нашей стране.

Конечно, любая монография, обобщающая предшествующий опыт, не может охватить материалы всех конкретных направлений. Поэтому для интересующихся читателей мы сообщаем о том, чего в книге нет. Так, например, в ней ничего не говорится о механизмах действия ультразвука на ионный транспорт через биологические мембраны, о раздражающем действии ультразвука и о возможности его применения для передачи человеку информации по различным сенсорным каналам. Не упоминаются ультразвуковая ингаляция, применение ультразвука в фармакологии, для стерилизации медицинских инструментов и др. Некоторые важные применения ультразвука описаны слишком сжато — это касается, например, гипертермии опухолей и некоторых аспектов хирургии.

По своему содержанию книга находится на стыке различных научных дисциплин и инженерных разработок. И писать, и переводить такую книгу — трудная и ответственная задача. Пожалуй, здесь стоит заметить и то, что в русском языке научная терминология в этой бурно развивающейся области еще не установилась окончательно, общий язык только создается.

В отечественной да и в мировой литературе по медицинской акустике для монографии под редакцией К. Хилла нет аналогов по широте охвата научного и практического материала. Ее можно рекомендовать специалистам различного профиля: физикам-акустикам, инженерам-исследователям, разработчикам ультразвуковой аппаратуры, биофизикам, физиологам и медикам. Она может быть полезна студентам и аспирантам, желающим начать работу в этой чрезвычайно интересной области знаний.

Перевод книги выполнили В. Н. Дмитриев (предисловие, гл. 2, 4 - 6), В. П. Юшин (гл. 3, 12—14, указатель обозначений), A. М. Рейман (гл. 1, 8 - 11) и А. М. Рейман совместно с Л. В. Бабиным (гл. 7). Участники перевода выражают свою глубокую признательность канд. физ.-мат. наук Л. В. Бабину и д-ру биол. наук проф. B. Б. Акопяну, нашедшим время и возможность ознакомиться с рукописью перевода II и III частей книги и сделавшим ряд полезных замечаний.

Л. Р. Гаврилов, А. П. Сарвазян

Предисловие

Давно известно, что ультразвуковое излучение можно сделать узконаправленным. Еще в период первой мировой войны в военно-морском флоте предпринимались попытки использовать направленный ультразвук для целей подводной локации. Во время этих экспериментов французский физик Поль Ланжевен впервые заметил повреждающее действие ультразвукового излучения на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что ультразвуковые волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Этот интерес не ослабевал и в дальнейшем, причем развитие медицинских приложений шло по самым разным направлениям; особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее лишь сравнительно недавно стал намечаться истинно научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии ультразвукового излучения с биологической средой.

Толчком к существенному развитию ультразвуковых диагностических методов явилось создание быстродействующих электронных импульсных систем обработки радиолокационных сигналов. Такие системы стали широко внедряться в радиолокации в период второй мировой войны 1939—1945 гг. Однако большинство первоначальных попыток применения ультразвуковых методов в диагностике носило в основном эмпирический характер. Лишь сравнительно недавно эта область приложений ультразвука получила признание как самостоятельная (и весьма увлекательная) область прикладной физики. Однако как практическое средство медицинского обследования ультразвук завоевал к настоящему времени весьма прочное положение. Оценки показывают, что сейчас ежегодное ультразвуковое обследование во всем мире проходят примерно 30—50 млн. пациентов и их число увеличивается каждый год приблизительно на 20%. Эти цифры свидетельствуют о том, что по широте своего

использования в качестве физического диагностического средства ультразвук приблизился к рентгеновским методам. Следует отметить, что ультразвуковые методы начинают становиться на прочную научную основу.

Ранее уже был издан ряд прекрасных книг и пособий, посвященных вопросам применения ультразвука в медицине. Следует, однако, отметить, что в большинстве из них основное место занимает описание накопленных экспериментальных данных. В предлагаемой читателю книге предпринята попытка исследовать возможности медицинского применения ультразвука, исходя из физических принципов. С этих позиций мы не ставили себе целью создать справочное руководство, которое позволило бы быстро, но недостаточно критично воспользоваться достижениями современной ультразвуковой техники и технологии. Мы стремились (по-видимому, впервые) осветить данную тему по возможности логически последовательно, чтобы помочь тем читателям, которые еще только входят в эту тематику, достичь в ней успехов.

По своей сути распространение ультразвука представляет собой типичный волновой процесс, поэтому в гл. 1 детально излагаются основные понятия и методы волновой акустики. Для людей, склонных к аналитическим исследованиям, представленный основополагающий материал может послужить неким отправным моментом для более глубокого изучения интересующих их частных вопросов. Для специалистов, занимающихся прикладными задачами, он раскрывает общие принципы, применение которых рассматривается в последующих главах. Гл. 2 посвящена теоретическому анализу акустических полей. Здесь рассматривается пространственная структура некоторых конкретных полей и дается описание методов генерации таких полей. Вообще говоря, интерес к использованию ультразвука в медицине и биологии обусловлен, во-первых, возможностью проведения с помощью ультразвуковых волн активного воздействия на живые ткани и, во-вторых, возможностью получения определенной информации о самих тканях. Эта информация может быть закодирована в самом ультразвуковом поле в результате различных взаимодействий этого поля с исследуемой средой. В обоих случаях необходимо уметь измерять характеристики ультразвукового поля. Описанию различных способов измерения полей посвящена гл. 3. В первых трех главах обсуждение полученных результатов проводится в основном при упрощающем допущении о том, что рассматриваемая среда является однородной и в ней отсутствуют потери акустической энергии. Как правило, в реальных

средах, и особенно в тканях человеческого организма, это предположение далеко не соответствует истинной картине, поэтому в следующих трех главах проводится анализ физических параметров реальных тканей. Здесь представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований механизмов затухания ультразвука, факторов, влияющих на скорость звука и ее изменение, а также процессов отражения и рассеяния ультразвуковых волн.

Вторая часть книги посвящена тем приложениям ультразвука, которые обычно принято называть «диагностическими». Здесь значительное место уделено практическим методам акустической «визуализации», суть которой заключается в представлении полученной информации об исследуемом объекте (например, о каких-либо участках в теле пациента) в виде изображений, позволяющих определить пространственное местоположение этого объекта и обеспечивающих возможность их визуального восприятия и анализа непосредственно человеком. Поскольку процесс визуального восприятия играет ключевую роль при анализе как обычных, так и акустических изображений, он рассматривается отдельно в короткой вступительной главе второй части книги. В большинстве практических приложений ультразвука в диагностике используется эхо-импульсный метод. Вопросы, связанные с его применением, широко освещены в целом ряде книг и обзоров, поэтому в гл. 8 настоящей книги мы ограничились обсуждением основных принципов этого метода и его возможностей в наиболее важных медицинских приложениях. В гл. 9 рассматриваются различные способы получения изображений, где наряду со ставшим уже «классическим» эхо-импульсным методом визуализации обсуждаются и некоторые новые подходы к получению акустических изображений анатомических структур. В этой главе рассматриваются также вопросы, связанные с акустической микроскопией. Традиционно разработчики медицинских систем акустической визуализации стремились к тому, чтобы представить информацию, полученную об исследуемых анатомических структурах, в виде изображения, которое опытный оператор мог бы рассмотреть и сделать определенные качественные заключения. В последнее время широко стали исследоваться возможности получения на основе акустической визуализации количественных (объективных) данных, которые дополняли бы информацию, воспринимаемую непосредственно человеческим глазом и мозгом при анализе изображений. Исследование таких возможностей является предметом телегистологии, или «характеризации тканей», которая рассматривается в гл. 10. Следует подчеркнуть, что для целей

телегистологии применение ультразвука представляется особенно многообещающим. Заключительная глава этой части книги посвящена методам измерения и анализа кровотока, в основе которых лежит применение специализированной обработки сигналов с использованием эффекта Доплера.

Как уже отмечалось, при определенных условиях ультразвуковое воздействие может привести к видоизменению тех клеток и тканей, через которые распространяются ультразвуковые волны. Три заключительные главы книги посвящены обзору тех явлений, которые происходят при активном ультразвуковом воздействии на биологическую среду. Здесь рассматриваются также практические последствия такого воздействия. Гл. 12 описывает биофизические аспекты действия ультразвука, а именно те механизмы, посредством которых акустическое воздействие приводит к заметному биологическому эффекту. В гл. 13 мы попытались дать научную оценку различным признанным и разрабатываемым приложениям ультразвука в терапии и хирургии. Другими словами, речь здесь идет о тех областях применения, где биологические изменения создают преднамеренно. В последней главе рассмотрен ряд вопросов, связанных с безопасностью активного ультразвукового воздействия для пациентов и обслуживающего персонала при проведении различных медицинских процедур.

Благодарности. Выход в свет данной книги был бы невозможен без совместных усилий со стороны многих людей, принимавших непосредственное участие в ее написании и в подготовке рукописи к печати. Я очень признателен моим соавторам за творческое сотрудничество и проявленное упорство, без которых поставленная цель вряд ли была бы достигнута. В значительной степени в книге отражены научные интересы нашей собственной исследовательской группы, а также некоторые результаты ее работы за последние двадцать лет. Высоко ценю тот вклад в развитие медицинской акустики, который внесли за этот период мои коллеги, студенты и приглашенные сотрудники других групп, но, к сожалению, не всегда на страницах книги удалось в должной мере отразить их участие. Работы в данной области стали возможны благодаря поддержке со стороны Института онкологических исследований и Королевского госпиталя Марсдена, а также их финансирующих организаций, в частности Совета по медицинским исследованиям и Секции исследования рака. Мне хотелось бы выразить им большую благодарность. Неоценимую помощь при подготовке текста и иллюстративного материала оказали Луиза Паркес, Аннабел Томас и Джек

Карент. Я благодарен также профессору Е. Г. Гранту из Лондонского королевского колледжа за его полезные замечания при чтении рукописи. И, наконец, мне хотелось бы выразить большую признательность тем авторам и издателям, которые дали любезное разрешение на использование в книге их иллюстративного материала. Как правило, ссылки на оригинальные источники указываются в подписях к рисункам.

Июнь 1986 г.

Кристофер Хилл