Карл Хельмут Герц

Карл Хельмут Герц (нем. Karl Helmut Hertz; 22 июня 1920, Берлин — 13 ноября 1990, Мюнхен) — немецкий физик и инженер, один из пионеров в области медицинской ультразвуковой диагностики. Наиболее известен как создатель первого в мире работающего прототипа ультразвукового сканера для визуализации внутренних органов человека, что заложило основы современной эхографии.

Биография

Ранние годы и образование

Карл Хельмут Герц родился 22 июня 1920 года в Берлине в семье, не связанной напрямую с наукой (его отец был коммерсантом). В 1938 году окончил гимназию в Берлине и поступил в Берлинский технический университет, где изучал физику. Однако обучение было прервано Второй мировой войной: в 1940 году Герца призвали в вермахт. Он служил в частях связи, затем был направлен на исследовательские работы в области радиолокации. В 1945 году попал в плен к союзникам, откуда был освобождён в 1946 году.

После войны Герц продолжил образование в Мюнхенском техническом университете, который окончил в 1950 году с дипломом инженера-физика. В 1951 году защитил докторскую диссертацию (Dr.-Ing.) на тему «Исследование распространения ультразвука в биологических тканях».

Научная карьера

С 1951 года Герц работал в научно-исследовательском отделе компании Siemens & Halske (ныне Siemens) в Мюнхене. Его основной задачей было изучение возможностей применения ультразвука в неразрушающем контроле материалов, однако вскоре он заинтересовался медицинскими аспектами.

В 1953 году совместно с врачом-неврологом Вольфгангом фон Зейделем (нем. Wolfgang von Seidel) Герц начал эксперименты по использованию ультразвука для диагностики опухолей головного мозга. В 1956 году они представили первый прототип ультразвукового сканера — так называемый «ультразвуковой локатор» (Ultraschall-Lot), который позволял получать одномерные изображения (А-режим) структур мозга через интактный череп. Этот аппарат стал предшественником современных эхоэнцефалоскопов.

В 1958 году Герц совместно с инженером Райнхардом Шульцем (нем. Reinhard Schulz) разработал первый двухмерный ультразвуковой сканер (В-режим), работающий по принципу механического секторного сканирования. Устройство использовало пьезоэлектрический преобразователь, перемещаемый по дуге, и ртутную лампу для отображения эхосигналов на фотоплёнке. Первые клинические испытания проводились на добровольцах и пациентах с заболеваниями печени и почек.

В 1960-е годы Герц продолжил совершенствование технологии: он ввёл понятие «серой шкалы» (Grey Scale) для улучшения контрастности изображений, а также разработал методы цифровой обработки сигналов. В 1965 году под его руководством был создан первый коммерческий ультразвуковой сканер — Siemens Vidoson, который начал серийно выпускаться с 1966 года.

Герц ушёл из Siemens в 1985 году, выйдя на пенсию. Он продолжал консультировать научные группы и читать лекции до конца жизни. Умер 13 ноября 1990 года в Мюнхене от сердечного приступа.

Вклад в медицину

Разработка ультразвукового сканера

Основным достижением Герца является создание первого в мире работающего ультразвукового сканера для медицинской визуализации. До его работ ультразвук использовался в медицине лишь для терапии (физиотерапия) и в единичных экспериментах по локации (например, для обнаружения камней в желчном пузыре). Герц впервые реализовал принцип эхолокации в реальном времени, что позволило получать изображения внутренних органов без хирургического вмешательства.

Ключевые технические решения, внедрённые Герцем:

• Механическое секторное сканирование — преобразователь совершал колебательные движения, создавая веерный луч.
• Отображение в серой шкале — интенсивность эхосигнала кодировалась оттенками серого, что повышало информативность изображения.
• Использование частот 1–5 МГц — оптимальный диапазон для проникновения в мягкие ткани.

Клиническое применение

Первые клинические испытания сканера Герца показали его эффективность в диагностике:

• Кист и опухолей печени (гепатом);
• Камней в почках и желчном пузыре;
• Абсцессов брюшной полости;
• Патологий щитовидной железы.

В 1958 году Герц и фон Зейдель опубликовали статью «Die Ultraschall-Lotung des Gehirns» (Ультразвуковая локация мозга), где описали методику эхоэнцефалоскопии — неинвазивного выявления смещения срединных структур мозга при опухолях и гематомах. Этот метод до сих пор используется в нейрохирургии.

Признание

В 1970 году Герц был удостоен премии имени Генриха фон Гельмгольца за выдающиеся достижения в области медицинской техники. В 1985 году он стал почётным членом Немецкого общества ультразвука в медицине (DEGUM). В 2000 году, посмертно, его имя было включено в Зал славы медицинской техники в США.

Технические аспекты

Устройство первого сканера

Прототип 1958 года состоял из следующих компонентов:

• Пьезоэлектрический преобразователь из титаната бария — излучатель и приёмник ультразвука.
• Механический привод — электродвигатель с кривошипно-шатунным механизмом, обеспечивающий качание преобразователя с частотой 10–15 Гц.
• Электронный блок — генератор импульсов (частота повторения 1 кГц), усилитель эхосигналов, детектор огибающей.
• Индикатор — осциллографическая трубка с длительным послесвечением, на которой формировалось изображение в виде линий.
• Фоторегистратор — камера Polaroid для фиксации изображений.

Принцип работы

Сканер работал в импульсном режиме: преобразователь излучал короткие ультразвуковые импульсы (длительность 1–2 мкс), которые отражались от границ тканей с разным акустическим импедансом. Отражённые сигналы (эхо) принимались тем же преобразователем, усиливались и отображались на экране в виде яркостных меток. Положение метки по горизонтали соответствовало глубине, а яркость — интенсивности эха.

Наследие

Влияние на развитие ультразвуковой диагностики

Работы Герца стали основой для создания всех последующих поколений ультразвуковых сканеров. В 1960–1970-е годы его технология была усовершенствована: появились электронные фазированные решётки, допплеровские режимы, трёхмерная реконструкция. Однако базовые принципы — импульсная эхолокация и отображение в серой шкале — остались неизменными.

Память

В 2015 году в Мюнхене, на территории бывшего завода Siemens, была установлена мемориальная доска в честь Карла Хельмута Герца. Его имя носит одна из лабораторий Немецкого центра сердечно-сосудистых исследований (DZHK). В 2020 году, к 100-летию со дня рождения, Немецкое общество ультразвука в медицине (DEGUM) учредило стипендию имени Герца для молодых учёных.

Источники

• Hertz, K. H., & von Seidel, W. (1958). Die Ultraschall-Lotung des Gehirns. Zeitschrift für die gesamte experimentelle Medizin, 130(4), 347–359.
• Wells, P. N. T. (1977). Biomedical Ultrasonics. Academic Press.
• Kremkau, F. W. (2015). Diagnostic Ultrasound: Principles and Instruments. Elsevier.
• История компании Siemens: архивные материалы отдела медицинской техники (1960–1985).
• Некролог в журнале Ultraschall in der Medizin (1991, Band 12, Heft 1).