How to see with sound - Jacques S. Abramowicz

Tłumaczenie: Paulina Kaniewska Korekta: Ola Królikowska

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

W czarnej jak smoła jaskini nietoperze zbyt wiele nie zobaczą.

But even with their eyes shut,

Ale nawet z zamkniętymi oczami

they can navigate rocky topography at incredible speeds.

są w stanie poruszać się wśród skał z niesamowitą prędkością.

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

Dzieje się tak, bo nietoperze latają, kierując się nie wzrokiem,

but rather, by its ears.

ale słuchem.

It may seem impossible to see with sound,

Widzenie dźwiękami może się wydać nam czymś niewyobrażalnym,

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

ale nie nietoperzom, oficerom marynarki i lekarzom

using the unique properties of ultrasound.

wykorzystującym do tego celu niezwykłe właściwości ultradźwięków.

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

Dźwięki powstają w wyniku drgań cząsteczek powietrza, wody albo innego ośrodka

or any other medium vibrate in a pulsing wave.

tworzących falę pulsacyjną.

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

Odległość między szczytami fali w tej samej fazie wpływa na częstotliwość,

measured as cycles per second, or hertz.

czyli liczbę takich cykli na sekundę mierzoną w hercach.

This means that over the same amount of time,

Oznacza to, że w tym samym czasie

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

fala o dużej częstotliwości ma więcej cykli niż fala o małej częstotliwości.

This is especially true of ultrasound,

Widać to dobrze na przykładzie ultradźwięków,

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

fal dźwiękowych, których częstotliwość przekracza 20 000 herców.

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

Ludzie nie są w stanie słyszeć ani wydawać dźwięków o tak wysokich częstotliwościach.

but our flying friend can.

Nie to co nasz skrzydlaty przyjaciel.

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

W zupełnych ciemnościach nietoperz wysyła ultradźwięki o wysokim natężeniu.

Since the wave cycles are happening so quickly,

Cykle następują po sobie tak szybko,

wave after wave rapidly bounces off nearby surfaces.

że fala za falą odbija się od powierzchni obiektów znajdujących się w pobliżu,

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

dociera do najgłębszych zakamarków

producing an echo that carries a lot of information.

i wraca jako echo, niosąc wiele cennych informacji.

By sensing the nuances in this chain of echoes,

Na podstawie subtelnych różnic między powracającymi falami

our bat can create an internal map of its environment.

nietoperz tworzy w głowie mapę otoczenia.

This is how bats use sound to see,

Nietoperze widzące uszami

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

zainspirowały ludzi, żeby spróbować czegoś podobnego.

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

Podczas I wojny światowej

francuscy naukowcy skierowali wiązki ultradźwięków w ocean,

to detect nearby enemy submarines.

żeby wykryć obecność okrętów podwodnych wroga.

This early form of SONAR was a huge success,

Tak powstał jeden z pierwszych sonarów, który okazał się wielkim sukcesem,

in large part because sound waves travel even faster through mediums

w dużej mierze dlatego, że fala dźwiękowa rozchodzi się szybciej w ośrodkach,

with more tightly packed molecules, like water.

których cząsteczki są gęsto upakowane, takich jak woda.

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

W latach 50. z ultradźwiękami zaczęli eksperymentować lekarze,

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

widząc w nich szansę, żeby w nieinwazyjny sposób zajrzeć pod skórę pacjenta.

Today, ultrasound imaging is used to evaluate organ damage,

Współcześnie ultrasonografii używa się, żeby ocenić stopień uszkodzenia narządów,

measure tissue thickness, and detect gallbladder stones, tumors,

zmierzyć grubość tkanek oraz wykryć kamienie żółciowe, guzy i skrzepy.

and blood clots.

But to explore how this tool works in practice,

Jak ultrasonograf działa w praktyce,

prześledzimy na przykładzie jego najsłynniejszego zastosowania,

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

badania USG płodu.

First, the skin is covered with conductive gel.

Najpierw skórę matki pokrywa się żelem przewodzącym.

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

W powietrzu fale dźwiękowe tracą prędkość i ulegają zakłóceniom,

this gooey substance ensures an airtight seal

ale ta lepka substancja odcina dopływ powietrza

between the body and the wand emitting ultrasound waves.

na styku skóry i głowicy wysyłającej fale.

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

Następnie radiolog wysyła wiązki ultradźwięków w głąb ciała pacjentki.

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

Fale przenikają przez płyny takie jak mocz, krew czy wody płodowe,

without creating any echoes.

nie tworząc echa.

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

Ale kiedy fala napotyka na swojej drodze ciało stałe, odbija się od niego.

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

Echo pojawia się na ekranie jako plamka.

Objects like bones reflect the most waves,

Struktury takie jak kości odbijają fale najlepiej.

appearing as tightly packed dots forming bright white shapes.

Tworzą ścisłe skupiska plamek układających się śnieżnobiałe kształty.

Less dense objects appear in fainter shades of gray,

Struktury o mniejszej gęstości są przedstawiane w odcieniach szarości.

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

Wszystko to razem składa się na obraz narządów wewnętrznych płodu.

To get a complete picture,

Żeby był on możliwie szczegółowy,

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

fale muszą wniknąć w głąb ciała na różną głębokość,

bypassing some tissues while echoing off others.

jedne tkanki mijając i odbijając się od powierzchni innych.

Since longer, low frequency waves actually penetrate deeper

Ponieważ dłuższe fale o niskiej częstotliwości docierają głębiej

than short, high frequency ones,

niż fale krótkie o wysokiej częstotliwości,

multiple frequencies are often used together

do badania USG zwykle używa się jednych i drugich,

and composited into a life-like image.

które razem układają się w wiarygodny obraz.

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

Teraz radiolog może zrobić zbliżenie i skupić się na wybranych obszarach.

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

A ponieważ aparaty USG wysyłają i odbierają fale w czasie rzeczywistym,

the machine can even visualize movement.

są w stanie uchwycić ruch.

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

W medycynie używa się ultradźwięków o częstotliwościach od 2 do 10 mln herców,

over a hundred times higher than human ears can hear.

co stanowi stokrotność tego, co jest dostępne ludzkim uszom.

These incredibly high frequencies create detailed images

Tak wysokie częstotliwości dają szczegółowe obrazy,

that allow doctors to diagnose the smallest developmental deviations

pozwalające zdiagnozować najmniejsze odchylenia od normy

in the brain, heart, spine, and more.

w rozwoju mózgu, serca i kręgosłupa oraz inne nieprawidłowości.

Even outside of pre-natal care,

W dziedzinach medycyny innych niż opieka prenatalna

medical ultrasound has huge advantages over similar technologies.

USG ma znaczną przewagę nad pozostałymi technikami obrazowania.

Unlike radiation-based imaging or invasive surgical procedures,

W przeciwieństwie do zdjęć rentgenowskich czy inwazyjnych zabiegów chirurgicznych

ultrasound has no known negative side effects when used properly.

USG używane w odpowiedni sposób nie ma żadnych negatywnych skutków ubocznych.

At very high levels, the heat caused by ultrasound waves

Przy zastosowaniu fal o bardzo wysokich częstotliwościach wydzielane jest ciepło,

can damage sensitive tissues,

które może uszkodzić tkanki wrażliwe,

but technicians typically use the lowest levels possible.

jednak w praktyce diagnostycznej takie fale nie są stosowane.

And since modern ultrasound machines can be small and portable,

A ponieważ współcześnie aparaty USG są niewielkie i przenośne,

doctors can use them in the field—

lekarze mogą używać ich także poza gabinetem

allowing them to see clearly in any medical emergency.

i mieć jasny obraz w każdej sytuacji.