How to see with sound - Jacques S. Abramowicz

Переводчик: Rostislav Golod Редактор: Anna Pecot

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

В кромешной тьме пещеры летучие мыши едва ли могут что-то увидеть.

But even with their eyes shut,

Но даже с закрытыми глазами

they can navigate rocky topography at incredible speeds.

они умудряются на большой скорости маневрировать среди скал.

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

А всё потому, что летать мышам помогают не столько глаза,

but rather, by its ears.

сколько уши.

It may seem impossible to see with sound,

Кажется, что видеть при помощи звуков невозможно,

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

но для летучих мышей, моряков и медиков это — обыденное явление,

using the unique properties of ultrasound.

в основе которого лежат уникальные свойства ультразвука.

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

Звуки образуются, когда молекулы воздуха, воды или любой другой субстанции

or any other medium vibrate in a pulsing wave.

начинают вибрировать в виде пульсирующих волн.

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

Расстояние между пиками определяет частоту волны,

measured as cycles per second, or hertz.

которая измеряется в колебаниях в секунду, или герцах.

This means that over the same amount of time,

Это означает, что за единицу времени

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

волна с высокой частотой совершит больше колебаний, чем волна с низкой частотой.

This is especially true of ultrasound,

Примером высокочастотной волны является ультразвук,

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

частота волн которого составляет более 20 000 колебаний в секунду.

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

Люди не способны слышать или извлекать звуки со столь высокими частотами,

but our flying friend can.

а вот нашим рукокрылым друзьям это вполне по силам.

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

Оказавшись в кромешной темноте,

они производят ультразвуковые волны высокой интенсивности.

Since the wave cycles are happening so quickly,

А поскольку цикл звуковой волны́ повторяется очень быстро,

wave after wave rapidly bounces off nearby surfaces.

то вóлны, одна за другой, также быстро отражаются от ближайших поверхностей.

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

Звуки высокой интенсивности способны проникать в каждую щель,

producing an echo that carries a lot of information.

в результате чего возникает эхо,

содержащее достаточно много для мышей сведений.

By sensing the nuances in this chain of echoes,

Различив в потоке эха едва уловимые оттенки информации,

our bat can create an internal map of its environment.

наша летучая мышь создаёт в сознании карту местности.

This is how bats use sound to see,

Именно так летучие мыши видят при помощи звуков.

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

И эта способность натолкнула людей на мысль:

почему бы им не последовать примеру мышей?

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

В годы Первой мировой войны

французские учёные использовали ультразвуковые лучи,

чтобы обнаружить в океане вражеские подводные лодки.

to detect nearby enemy submarines.

This early form of SONAR was a huge success,

Этот первый гидролокатор оказался весьма успешным

in large part because sound waves travel even faster through mediums

во многом из-за того, что звуковые волны быстрее распространяются в среде,

with more tightly packed molecules, like water.

характеризующейся высокой плотностью молекул, например в воде.

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

В 1950-е годы эксперименты с ультразвуком начали проводиться и в медицине —

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

эта технология позволила неинвазивно исследовать

состояние внутренних органов человека.

Today, ultrasound imaging is used to evaluate organ damage,

Сегодня ультразвуковые исследования (УЗИ)

используют для диагностики заболеваний внутренних органов,

measure tissue thickness, and detect gallbladder stones, tumors,

измерения толщины тканей, обнаружения желчных камней, опухолей

and blood clots.

и тромбов.

But to explore how this tool works in practice,

Но чтобы узнать, как препарат работает на практике,

давайте рассмотрим одну из самых широко известных процедур —

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

ультразвуковое сканирование плода.

First, the skin is covered with conductive gel.

Сначала на кожу пациентки наносят контактный гель.

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

При прохождении через воздух звуковые волны ослабевают и искажаются,

this gooey substance ensures an airtight seal

поэтому и применяется эта вязкая субстанция,

которая создаёт безвоздушную среду

between the body and the wand emitting ultrasound waves.

между телом и датчиком, генерирующим ультразвуковые волны.

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

Затем УЗИ-специалист начинает посылать ультразвуковые лучи.

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

Волны проходят через жидкости — мочу, кровь и околоплодные воды, —

without creating any echoes.

не создавая эха.

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

Но как только волна встречается с твёрдым óрганом, она отражается.

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

Это эхо фиксируется на экране прибора в виде точки.

Objects like bones reflect the most waves,

Больше всего волн отражают такие органы, как кости, —

appearing as tightly packed dots forming bright white shapes.

на экране они высвечиваются ярко-белыми скоплениями точек.

Less dense objects appear in fainter shades of gray,

Менее плотные объекты воспроизводятся на экране оттенками серого —

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

так постепенно получается изображение внутренних органов плода.

To get a complete picture,

Для полноты исследования

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

посылаемые волны должны проникать в различные глубины,

bypassing some tissues while echoing off others.

обходя одни ткани и отражаясь от других.

Since longer, low frequency waves actually penetrate deeper

Длинные низкочастотные волны проникают на бóльшую глубину,

than short, high frequency ones,

короткие высокочастотные волны — на меньшую.

multiple frequencies are often used together

Поэтому во время исследования волны различных частот сопоставляются,

and composited into a life-like image.

создавая довольно правдоподобные изображения.

УЗИ-специалист также может увеличить изображение,

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

чтобы рассмотреть органы крупным планом.

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

А поскольку аппараты УЗИ посылают и получают каскады волн

в режиме реального времени,

the machine can even visualize movement.

они позволяют даже увидеть движения плода.

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

В УЗИ применяются волны с частотой колебаний от 2 до 10 миллионов герц,

over a hundred times higher than human ears can hear.

что в сотни раз выше звуков, которые способно воспринять человеческое ухо.

These incredibly high frequencies create detailed images

Эти ультравысокочастотные волны создают детальные изображения,

that allow doctors to diagnose the smallest developmental deviations

позволяющие врачам диагностировать малейшие отклонения

in the brain, heart, spine, and more.

в развитии головного мозга, сердца, позвоночника и других органов.

Но ультразвук получил широкое применение и в других областях медицины —

Even outside of pre-natal care,

medical ultrasound has huge advantages over similar technologies.

благодаря огромным преимуществам

по сравнению с другими видами диагностики.

Unlike radiation-based imaging or invasive surgical procedures,

В отличие от радиационных методов диагностики

или инвазивных хирургических процедур,

ultrasound has no known negative side effects when used properly.

ультразвук не имеет известных побочных эффектов,

если используется надлежащим образом.

At very high levels, the heat caused by ultrasound waves

При слишком высокой частоте

количество теплоты, вызываемой ультразвуковыми волнами,

can damage sensitive tissues,

может нанести вред чувствительным тканям организма,

but technicians typically use the lowest levels possible.

поэтому УЗИ-специалисты, как правило,

используют как можно более низкие частоты.

And since modern ultrasound machines can be small and portable,

Современные ультразвуковые аппараты могут быть компактными и портативными

doctors can use them in the field—

что позволяет врачам использовать их для чёткой визуализации органов

allowing them to see clearly in any medical emergency.

в любых ситуациях, даже самых экстренных.