Прорывное УЗИ

Ультразвуковую диагностику применяют и в медицине, и в технике. УЗИ позволяет выявить неоднородности, нарушения сплошности объекта, даже построить трехмерную карту его плотности. В медицине ультразвук нужен для исследования внутренних органов. Однако почти всегда его недостаточно для однозначного выявления патологии в органах или тканях, особенно если не произошло их явного перерождения.

Обычное УЗИ не видит разницы между изначально жестким и механически напряженным объектом, а это важно. Биологи знают, что механический стресс существует и изменяется во всех живых организмах, поэтому может служить критерием их нормальной работы.

Многие из окружающих нас материалов мягкие. Как и мы сами. В таких материалах звуковые волны распространяются немного по-другому, чем в твердых и упругих объектах, с которыми привыкли работать инженеры или строители. Как известно, звуковые волны бывают продольными, когда частицы вещества в них колеблются вдоль направления распространения, вперед-назад, и поперечными, когда перпендикулярно ему. Особенность мягких тел, которые способны сильно упруго растягиваться и сжиматься, состоит в том, что продольная волна движется в них со скоростью на порядки больше скорости поперечной.

Это свойство и позволило ученым, которые занимаются диагностикой напряжений в рельсах, придать новое качество ультразвуковому исследованию. Международная команда под руководствлом доктора Артура Говера (Artur Gower) с факультета механической инженерии Шеффилдского университета впервые создала неинвазивный метод определения напряжений в мягких объектах, в том числе во внутренних органах человека. Статья с описанием этого успеха появилась в журнале Science Advances.

Идея состоит в том, чтобы послать две поперечные звуковые волны в перендикулярных направлениях. В направленни высокого напряжения волна будет двигаться быстрее. Измеряют же скорости двух волн с помощью продольной, распространяющейся на три порядка быстрее. Вычисление механических напряжений по разнице скоростей дает их абсолютные, а не относительные значения, и не требует знаний о механических характеристиках объекта. Авторы продемонстрировали это экспериментально, когда измерили одноосные и изгибные напряжения в гидрогеле, а также растягивающие напряжения внутри мышц.

Новый метод облегчит диагностику различных заболеваний внутренних органов, ведь изменения механических стрессов в них — это первый индикатор начальных нарушений. Метод позволит выявлять перерождение тканей, шрамы, застой крови и пр. После массового внедрения исследование облегчит раннюю диагностику заболеваний.

Похоже, мы скоро узнаем о появлении нового раздела медицины. Новый метод пригодится при разработке мягких бионических роботов, имплантов разного рода и т. п. Он позволит вести неразрушающий контроль биологических объектов в самых разных средах, in vivo и in vitro.