БИОФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЭФФЕКТОВ.

1. Биологическая ткань как упругая среда. Акустические свойства биологической ткани.

Биологическая ткань является упругой средой.

Среда называется упругой, если между ее частицами существуют силы взаимодействия, препятствующие какой-либо деформации этой среды. Когда какое-либо тело совершает колебания в упругой среде, то оно воздействует на частицы среды, прилегающие к телу, и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи колеблющегося тела деформируется, и в ней возникают упругие силы. Эти силы воздействуют на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения равновесия. Постепенно все частицы среды вовлекаются в колебательное движение.

Акустические свойства биологических тканей характеризуются следующими параметрами: скорость распространения упругих колебаний с, удельным акустическим сопротивлением ?с и коэффициентом поглощения ультразвука ?.

В упругой среде ультразвук распространяется с определенной скоростью. По мере удаления от источника звука амплитуда колебаний становится все меньше и меньше вследствие поглощения энергии средой, в которой распространяется волна. При этом часть поглощенной энергии преобразуется в тепло в результате трения друг о друга частиц вещества, а часть вызывает необратимые структурные изменения.

В ультразвуковой эхоскопии биомедицинских объектов обычно используются продольные волны. Поперечные (сдвиговые) и поверхностные ультразвуковые волны используются редко в связи с тем, что биологические среды имеют малую сдвиговую упругость (за исключением костной ткани).

Величину поглощения характеризуют коэффициентом поглощения , который показывает, как уменьшается интенсивность ультразвука в облучаемой среде. Очевидно, что с ростом частоты он увеличивается. Его обычно характеризуют с помощью параметра, который называют глубиной проникновения. Это глубина, на которой интенсивность звука уменьшается наполовину. Глубина проникновения обратно пропорциональна поглощению. Чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором его интенсивность уменьшается наполовину.

2. Поглощение ультразвука в ткани. Процессы релаксации. Основные механизмы поглощения.

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Ткани поглощают ультразвук неравномерно. Слабое поглощение происходит в подкожной жировой клетчатке, больше в мышцах, нервах и особенно в костях. И ткани, выполняющих функцию опоры, и ткани, которые получают механическое напряжение, имеют более высокие значения поглощения, чем ткани паренхиматозных органов. Коэффициент поглощения ультразвука для костной ткани в 12-15 раз выше, чем для мышечной ткани. Глубина проникновения ультразвука в кость минимальная и составляет около 0,3 см. Максимально энергия ультразвука поглощения наблюдается на границе раздела различных тканей: кожа - подкожная жировая клетчатка, фасция-мышца, надкостница - кость.

• Релаксация акустическая – внутренние процессы восстановления

термодинамического равновесия среды, нарушаемого сжатиями и разрежениями в

УЗ-вой волне. Согласно термодинамическому принципу равномерного

распределения энергии по степеням свободы, энергия поступательного движения

в звуковой волне переходит на внутренние степени свободы, возбуждая их, в

результате чего уменьшается энергия, приходящаяся на поступательное

движение. Поэтому релаксация всегда сопровождается поглощением звука, а

также дисперсией скорости звука.

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Z=PC где Z – волновое сопротивление,P – плотность, кг/м3,с – скорость звука, м/с

3. Рассеяние ультразвука в различных биологических тканях.

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

4. Методы измерений и количественные значения скорости звука и коэффициентов поглощения и рассеивания в различных видах тканей.

Методы измерений: 1. Методы абсолютных измерений обеспечивают возможность не­посредственного измерения скорости звука в исследуемой среде и не требуют знания скорости звука в какой-либо эталонной среде. Такие измерения могут проводиться как в импульсном, так и в не­прерывном режимах излучения; при этом могут использоваться системы с фиксированным или переменным расстоянием.

2. За редким исключением, рассмотренные выше методы абсолют­ных измерений непригодны для исследования биологических тка­ней, что связано либо с трудностями точного определения длины пути прохождения ультразвука в образце, либо с невозможностью изменения этого пути. В связи с этим стали развиваться методы относительных измерений. Этому в значительной мере способствовало опубликование достоверных данных об абсолютных значениях скорости звука в ряде материалов, которые могли использоваться в качестве эталонных сред при проведении сравнительных измерений. Обычно эталонной средой служила дистиллированная вода.

3. Акустическая микроскопия . Довольно часто возникает необходимость в проведении измере­ний скорости звука в микроскопическом масштабе, т. е. с очень вы­соким пространственным разрешением. Подобные задачи приходится решать, например, в тех случаях, когда исследуемое вещество имеется лишь в малом количестве или же требуется получить мик­роскопическую картину распределения скорости звука (и плотности), которая позволила бы проанализировать характер рассеяния ультразвуковых волн в данном образце на макроскопическом уров­не.

Скорость распространения ультразвука в тканях человека при температуре 37°С равна 1540 м/с. Скорость распространения ультразвука в мм/мкс: Мозг 1,51, Печень 1,55, Почки 1,.56, Мышцы 1,58, Жировая ткань 1,45, Кости 4,08, Кровь 1,57, Мягкие ткани (усреднение) 1,54, Вода (20°С) 1,48, Воздух 0,33.

5. Ультразвуковые частоты, используемые в медицинском ультразвуке, их выбор.

Ультразвуковой датчик. В качестве детектора или трансдюсора применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллических преобразователей, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.

Виды датчиков. Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. В механических сканирование осуществляется за счет движения излучателя (он или вращается или качается). В электронных развертка производится электронным путем. Недостатками механических датчиков являются шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение. Механические датчики морально устарели и в современных сканерах не используются. Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.

Линейные датчики. Линейные датчики используют частоту 5-15 Мгц. Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдюсора на поверхности тела. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям. Также линейные датчики за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 11 см). Используются в основном для исследования поверхностно расположенных структур — щитовидной железы, молочных желез, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.

Конвексные датчики. Конвексный датчик использует частоту 1,8-7,5 МГц. Имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие. За счет меньшей частоты глубина сканирования достигает 20-25 см. Обычно используется для исследования глубоко расположенных органов — органы брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренные суставы.

Секторные датчики. Секторный датчик работает на частоте 1,5-5 Мгц. Имеет ещё большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки. Типичным применением секторного датчика является эхокардиография — исследование сердца.