How to see with sound - Jacques S. Abramowicz

翻訳: くまもとポーカー倶楽部 くまぽか 校正: Tomoyuki Suzuki

In a pitch-black cave, bats can’t see much.

真っ暗な洞窟の中では コウモリはあまり物が見えません

But even with their eyes shut,

しかし たとえ目を閉じていたとしても

they can navigate rocky topography at incredible speeds.

驚くほどの速さで岩場の地形を 飛行することができます

This is because a bat’s flight isn’t just guided by its eyes,

なぜなら コウモリが飛行するとき 頼りにしているのは目だけではなく

but rather, by its ears.

むしろ 耳だからです

It may seem impossible to see with sound,

音を見ることは不可能なように思われますが

but bats, naval officers, and doctors do it all the time,

コウモリ 海軍将校 そして医師は それを常に行っており

using the unique properties of ultrasound.

超音波の独特な性質を利用しているのです

All sound is created when molecules in the air, water,

すべての音は空気 水 その他の媒質の中の分子が

or any other medium vibrate in a pulsing wave.

パルス波として振動したときに生じます

The distance between each peak determines the wave’s frequency,

パルス同士の頂点間の間隔が １秒当たりのサイクル数である ―

measured as cycles per second, or hertz.

波の周波数 別名 ヘルツを決定づけます

This means that over the same amount of time,

これはつまり 高い周波数の方が 低い周波数よりも

a high frequency wave will complete more cycles than a low frequency one.

同じ時間の中に より多くのサイクルが 含まれることを意味します

This is especially true of ultrasound,

これは特に超音波に当てはまります

which includes any sound wave exceeding 20,000 cycles per second.

超音波とは１秒当たり２万以上の サイクルを含む波のことです

Humans can't hear or produce sounds with such high frequencies,

人間はそのような高い周波数の音を 聞いたり出したりすることができませんが

but our flying friend can.

この飛べる友人はできるのです

When it’s too dark to see, he emits an ultrasound wave with tall peaks.

暗すぎて周りが見えないとき コウモリは大きな振幅を持つ超音波を発します

Since the wave cycles are happening so quickly,

この波のサイクルの間隔は 非常に短いので

wave after wave rapidly bounces off nearby surfaces.

波が次々に付近の物体の表面に当たり 跳ね返ってきます

Each wave’s tall peak hits every nook and cranny,

それぞれの波の頂点が 隅々にまで当たり

producing an echo that carries a lot of information.

多くの情報を運ぶ反響が発生します

By sensing the nuances in this chain of echoes,

この一連の反響音の 微妙な差異を感じることで

our bat can create an internal map of its environment.

コウモリは自分がいる環境内の 地図を作ることができます

This is how bats use sound to see,

このようにコウモリは 見るために音を利用します

and the process inspired humans to try and do the same.

人間はこの仕組みを 真似することをひらめきました

In World War One, French scientists sent ultrasound beams into the ocean

第一次世界大戦でフランスの科学者は 近くにいる敵の潜水艦を見つけるため

to detect nearby enemy submarines.

超音波のビームを海に送っていました

This early form of SONAR was a huge success,

この初期のソナー技術は 著しい成功を収めました

in large part because sound waves travel even faster through mediums

その主たる理由として 水のように 分子がより密に詰め込まれた媒質内ほど

with more tightly packed molecules, like water.

音波は より速く伝播するからです

In the 1950s, medical professionals began to experiment with this technique

1950年代に 医療の専門家が 侵襲なく患者の体内をみる方法として

as a non-invasive way to see inside a patient’s body.

この技術を用いて実験を開始しました

Today, ultrasound imaging is used to evaluate organ damage,

今日では 超音波画像診断は 臓器の損傷を評価したり

measure tissue thickness, and detect gallbladder stones, tumors,

組織の厚みを測ったり 胆石 腫瘍 血栓などを見つけたりするために

and blood clots.

利用されています

But to explore how this tool works in practice,

しかし この道具が実際にどのように 使われているかを理解するため

let’s consider its most well-known use— the fetal ultrasound.

最もよく知られた利用法である 胎児超音波検査ついて考えましょう

First, the skin is covered with conductive gel.

まず 伝導性のあるジェルで皮膚を覆います

Since sound waves lose speed and clarity when traveling through air,

音波は空気を通過すると 速度と明瞭度が落ちるので

this gooey substance ensures an airtight seal

体と 超音波を発する探触子の間を

between the body and the wand emitting ultrasound waves.

このネトネトした物質で覆って 気密された空間を確保します

Then the machine operator begins sending ultrasound beams into the body.

そして 機械の操作者が超音波ビームを 体内に送り始めます

The waves pass through liquids like urine, blood, and amniotic fluid

この波は尿 血液 羊水などの液体を

without creating any echoes.

反響を発生させずに通過します

But when a wave encounters a solid structure, it bounces back.

しかし 固体の構造物に当たると 波は跳ね返ってきます

This echo is rendered as a dot on the imaging screen.

この反響が映像スクリーン上に 点として映し出されます

Objects like bones reflect the most waves,

骨のような物体は ほとんどの波を反射するため

appearing as tightly packed dots forming bright white shapes.

白く輝く像を形成する 密な点の集まりとして現れます

Less dense objects appear in fainter shades of gray,

密度の低い物体はぼんやりとした 灰色の影として現れて

slowly creating an image of the fetus’s internal organs.

胎児の体内にある臓器の像を 徐々に作り出します

To get a complete picture,

完全な像を得るためには

waves need to reach different depths in the patient’s body,

組織によって反響したり通過したりしながら

bypassing some tissues while echoing off others.

患者体内の異なる深さに 波が到達する必要があります

Since longer, low frequency waves actually penetrate deeper

長い波長の低周波数の波は 短い波長の高周波数の波よりも

than short, high frequency ones,

深くまで届くので

multiple frequencies are often used together

複数の周波数を一緒に使うことが多く

and composited into a life-like image.

鮮明な画像が合成されます

The operator can then zoom in and focus on different areas.

操作者は拡大したり 異なる領域に焦点を合わせたりできます

And since ultrasound machines send and receive cascades of waves in real time,

超音波の機械はリアルタイムで 波を連続して送受信しているので

the machine can even visualize movement.

動きでさえ可視化することができます

The waves used for medical ultrasound range from 2 million to 10 million hertz—

医療用に使われている超音波は 200万から1000万ヘルツまでの範囲にあり

over a hundred times higher than human ears can hear.

これは人間の耳が聞くことができる 周波数の100倍以上です

These incredibly high frequencies create detailed images

これらの非常に高い周波数によって 詳細な画像が作られ

that allow doctors to diagnose the smallest developmental deviations

医師は脳 心臓 脊椎などにある ごく小さな異常でも

in the brain, heart, spine, and more.

発見することが可能になります

Even outside of pre-natal care,

妊婦検診以外でも

medical ultrasound has huge advantages over similar technologies.

類似する他の検査技術に対して 医療用超音波には大きなメリットがあります

Unlike radiation-based imaging or invasive surgical procedures,

放射線を利用した画像診断や 侵襲的な外科処置と違って

ultrasound has no known negative side effects when used properly.

適切に使えば 超音波には 既知の悪い副作用はありません

At very high levels, the heat caused by ultrasound waves

非常に高い周波数では 超音波によって発生する熱が

can damage sensitive tissues,

敏感な組織を損傷する可能性がありますが

but technicians typically use the lowest levels possible.

通常 技術者は可能な限り 低い周波数を使います

And since modern ultrasound machines can be small and portable,

現代の超音波装置は 小さく持ち運び可能なので

doctors can use them in the field—

医師は装置を現場で使うことができ

allowing them to see clearly in any medical emergency.

あらゆる救急医療において 鮮明な画像を見ることができます