ULTRAHELI

ULTRAHELI APARAAT – KUIDAS SEE TÖÖTAB
Tartu 2006

Ülevaade ultraheli kasutamisest

Et teada, kuidas ultraheliaparaat töötab, tuleb esmalt tutvustada tähtsamaid etappe ultraheli ajaloos.

1822. a kasutas šveitsi füüsik Daniel Colladen edukalt sukeldumiskella helilainete kiiruse täpseks määramiseks Genfi järve vetes (Woo, 2002). Ta süütas püssirohulaengu, mille sähvatus registreeriti 16 km kaugusel ning võrreldi heli saabumisega sukeldumiskellani. Hoolimata rohmakatest instrumentidest, arvutasid nad heli kiiruseks vee all 1435 m/s, mis ei erine eriti tänapäeval mõõdetud kiirusest. 

Inglismaal avaldas lord Rayleigh 1877. a kuulsa kirjatöö „The Theory of Sound“ (Strutt, 1877) (joonis 1), milles ta kirjeldas täpselt helivibratsiooni (laineid) ja heli levimise ning murdumise füüsikalisi põhialuseid. Ta oli esimene, kes kirjeldas helilainet kui matemaatilist võrrandit, kujun­da­des akustika teoreeti­lisi aluseid.

Lord Rayleigh „The Theory of Sound“ (Google Books) 
Joonis 1. Lord Rayleigh „The Theory of Sound“ (Google Books)

Kajalokat­siooni tegelik läbimurre toi­mus 1880. a Pariisis, kui Pierre Curie (joonis 2) ja tema vend Jacques Curie avastasid teatavate kristallide piesoelektrilised omadused. Nende eksperiment sisaldas veenvaid tõestusi eriliselt ettevalmistatud kristallide pinnalaengute kohta (turmaliin, kvarts, topaas, roosuhkur ja Rochelle’i sool), mida mõjutati mehhaanilise survega. Arvestades, et need tulemused saadi hõbepaberit, liimi, juhtmeid, magneteid ja juveliiri saagi kasutades, oli tegemist erakordse saavutusega. Kristallile surve avaldamisel tekib selles elekter. Üks kõige levinuimaid seadmeid, kus selliset kristalli omadust kasutatakse on välgumihkel. Nupule/kangile vajutades avatakse gaasi klapi ning sama lajal surutakse piesoelektrilisele kristallile, mis süütab välgumihkli kütuse.

Pierre Curie, 1859…1906 (Woo, 2002 
Joonis 2. Pierre Curie, 1859…1906 (Woo, 2002)

Teadusringkondades nimetati seda avastust „suureks avastuseks” ja seda hakati kiiresti kutsuma „piesoelektriks”, et eristada seda teistest fenomenaalsetest teaduslikest avastustest nagu „kontaktelekter” (hõõrdumisel tekkiv staatiline elekter) ja „püroelekter” (kritallide kuumutamisel tekkiv elekter). Pezein on kreeka sõna, mis tähendab survet.

Järgneval kahel aastal loodi Euroopa teadlaste ühendus uurimaks piesoelektrilisi rakendusi. Järgneva 25 aasta (kuni 1910) jooksul tehti ära suur töö, millega defineeriti lõplikult 20 loodusliku kristalli klassi, millellel on piesoelektrilised omadused.

Esimene tõsiseltvõetav seade, mis kasutas piesoelektrilist seadet leiutati I maailmasõja ajal, 1912. aastal, kui projekteeriti veealused sonarsüsteemid allveelaevade veealuseks navigeeri­miseks. Alexander Belm (joonis 3) Viinist kirjel­das samal aastal veealust kajalokatsiooni seadet.

 Alexander Belm
Joonis 3. Alexander Belm

Esimene patent vee­alu­sele sonarile anti välja inglise meteoroloogile Lewis Richardsonile Briti Patendi­büroos kuu aega pärast Titanicu uppumist. Esimese töötava so­na­ri projekteeris ja ehitas Ühendriikides kanadalane Reginald Fessenden 1914. a.

Paul Langevin ja tema prantsuse kaastöölised lõid täiusliku ultraheli allveelaeva avastaja 1917 aastal. Nende andur koosnes mosaiikselt paigutatud õhukestest kvartskristallidest, mis olid kleebitud kahe terasplaadi vahele. Seade emiteeris vee all kõrge sagedusega piikse ja mõõtis tagasi peegeldunud kaja kaugust.

Esimene edukas raadiolainete eksperiment leidis aset 1924. a, kui briti füüsik Edward Appleton kasutas raadiolainete kaja, et määrata ionos­fääri kõrgust. Esimese praktilise radarisüsteemi (Radio Detection and Ranging), mis kasutas enam elektromagnetilisi laineid kui ultraheli, val­mis­tas 1935. a teine briti füüsik Robert Watson-Watt ning 1939. a rajas Inglismaa radarijaamade keti piki oma lõuna- ja idarannikut, et avastada õhu või mere kaudu sisse­tungijaid.

Sellised radarisüsteemid on olnud hilisemate 2-dimensiooniliste sona­rite ja meditsiiniliste ultrahelisüsteemide, mis ilmusid 1940. aastate lõpus, otses­teks eelkäijateks (Woo, 2002)

Teine paralleelne ja sama tähtis suund ultraheli arengus algas 1930nda­tel, kui konstrueeriti impulss-kaja ultraheli metallidefekti detektor, mis oli tol ajal eriti tähtis suurte laevade metallkerede ja lahingutankide soo­mus­plaatide tervik­likkuse kontrollimisel. Ultraheli metallidefektide avas­ta­mise kontsept­sioo­ni pakkus esimesena välja nõukogude teadlane Sergei J. Sokolov 1928. a Leningradi Elektrotehnika Instituudist (Sokolov, 1929; ref Woo, 2002).

Ultraheli kasutamine meditsiinis algas hoopis teraapias, mitte diagnosti­kas; selle soojendavat ja lõhustavat mõju kasutati loomade kudede ravimiseks (Woo, 2002).

1940. a sai ultrahelist aegapidi neurokirurgiline tööriist ning umbes samal ajal kasutati meditsiinis ultraheli eksperimentaalselt ka diagnosti­ka ees­märgil. Karl Theodore Dussik (1942), Viini Ülikooli neuroloog-psühhiaater, oli arva­ta­valt esimene meedik, kes kasutas ultraheli medit­siini­lise diagnoosi panemisel.

Ameerika Ühendriikide Mereväe Uurimise Instituudi arst Georg Ludwig alustas 1940date lõpus eksperimente loomakudede uurimisega, kasutades selleks ultraheli. Enamik Ludwigi tulemustest sisaldas sõjalist informatsiooni ja seda ei avaldatud meditsiiniajakirjades. Tema tööd bioakustika labora­tooriu­mis Massachusettsi Tehnoloogia Instituudis koos füüsik-insener Richard Bolti, arst Holly T. Ballantine ja füüsik Theodor Hueteriga Siemensist võimaldasid mõõta heli ülekandekiirust looma pehmetes kudedes, mis oli 1500…1600 m/s (Ludwig jt, 1950; Ludwig, Ballantine, 1950; Ludwig, 1950; Ludwig, Struthers, 1950).

Ultrahelitehnoloogia võeti põllumajanduses kasutusele 1950ndate algu­ses kui meetod kariloomade kehaehituse erinevuste hindamiseks (Wild, 1950; Claus, 1957; Panier, 1957; Price jt, 1958; Hazel ja Kline, 1959). Esimene uurimus ultraheli kasutamise kohta pärineb J. J. Wildilt (1950), kes väitis, et ultrahelitehnoloogial pole kahjulikku mõju ja see on humaanne (joonis 4). Ta määras esmakordselt elusloomadel kesk­mised lihas- ja rasvkoe kogused. Tehnoloogia kiire areng 1970ndate teisel poolel ja 1980ndate algul muutis ultraheliaparaati palju.

John Julian Wild  
Joonis 4. John Julian Wild (Woo, 2002)

Ultraheli kasutamisel valatakse mineraalõli mõõdetavale kehapinnale, kuhu asetatakse sensor või andur, ning ultraheliaparaat muundab seejärel elektrilised impulsid kõrgsagedusega helilaineteks, millest ka nimetus ultra­heli. Ultraheli tööpõhimõtteks ongi mõõta kaja liikumist pehmetes kudedes. Need helilained liiguvad kehasse ja peegelduvad tagasi eri tihedusega kudede piirilt. Kujutis, mida ultrahelilained läbi anduri tagasi saadavad, projitseeri­takse ultraheliaparaadi ekraanile ning sellega on mõõde sooritatud.