2 Ультразвук

Ультразвук - это звуковые, или акустические, волны, частота которых выше максимальной частоты звука, слышимой человеческим ухом т.е. 20 кГц.

Акустические волны представляют собой механические колебания частиц в упругой среде, распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию, они могут существовать и распространяться в твердых телах, жидкостях и газах.

Биологические ткани подобны жидким упругим средам (мягкие ткани), твердым (костные образования и конкременты), содержат в своем составе газовые образования (в легких, кишечнике, желудке и т.д.). Поэтому акустические колебания, распространяющиеся в биологических тканях, в зависимости от строения этих структур могут быть использованы в медицине для целей диагностики и терапии.

В ультразвуковой (УЗ) диагностике используются так называемые продольные акустические волны, в которых направление смещения отдельных частиц среды параллельно направлению распространения волн (Рисунок 1).

Скорость перемещения зоны разрежения (или сжатия) в среде называется скоростью звука.

Рисунок 1 – «Продольные акустические волны в упругой среде в фиксированный момент времени: чередование зон сжатия и разрежения».

В зависимости от частоты акустические колебания делят на несколько диапазонов: инфразвук, слышимый звук, ультразвук, гиперзвук (рисунок 2»»).

Рисунок 2 – «Условное деление акустических колебаний и волн на диапазоны».

Границы, разделяющие отдельные диапазоны акустических колебаний, достаточно условны. Граница между звуком и ультразвуком, например, зависит от индивидуальных особенностей человеческого слуха. Одни люди не слышат звуки с частотой в 10 кГц, другие могут воспринимать звуки с частотой до 25 кГц.

Диапазон частот ультразвука, используемых в медицинской диагностике, лежит в пределах от 1 до 30 МГц и выше.

Соотношение, связывающее самые важные параметры - длину волны   с частотой колебаний f и скоростью звука С выглядит следующим образом:

Из этого соотношения следует, что с увеличением частоты ультразвука уменьшается длина волны  .

При средней скорости ультразвука С~1540м/с  в мягких биологических тканях длина волны составляет:

 = 0,44 мм при f - 3,5 МГц,

 = 0,31 мм при f= 5,0 МГц,

= 0,21 мм при f = 7,5 МГц,

= 0,15 мм при f = 10,0 МГц.

Это значения длин волн для наиболее часто используемых в УЗ диагностике частот, они связаны с такой важной характеристикой диагностических систем, как разрешающая способность, которая определяет возможность системы отображать мелкие детали в акустическом изображении внутренних органов.

Продольное разрешение определяется величиной:

δR₀ =0,66*с*τ_и,

где с – скорость ультразвука в среде,

τ_и– длительность зондирующих импульсов.

Поперечное разрешение на расстоянии L от преобразователя определяется величиной:

δS₀ =0,9*L*λ/D,

где λ– длина ультразвуковой волны,

D – диаметр преобразователя.

Существует значение, которое не может быть превзойдено в системе, использующей волны для получения информации это физический предел разрешающей способности. Этот предел близок по величине длине волны. Таким образом, чем выше частота, тем потенциально лучше может быть разрешающая способность, т.е. тем мельче могут быть детали, отображаемые диагностической системой, следовательно, тем лучше качество изображения. К сожалению, ультразвук с высокой частотой значительно сильнее затухает при распространении в биологических тканях, что существенно снижает глубину исследования на высокой частоте.

Пространство, заполненное веществом, в котором распространяется акустическая волна, называется акустическим полем.

Акустическое поле характеризуется переменным звуковым давлением в каждой точке и интенсивностью распространяющейся волны.

Периодические сжатия и расширения каждого слоя вещества, в котором распространяется упругая волна, можно рассматривать как результат действия переменного давления, амплитуда которого равна:

где v_m - амплитуда колебательной скорости частиц.

Величина v_m всегда значительно меньше скорости распространения самой волны с.

Величина рс характеризует рассеяние энергии волны в акустическом поле и называется акустическим сопротивлением среды. Единица измерения - кг/м²· с.

Связь между акустическим сопротивлением, переменным акустическим давлением и амплитудой колебательной скорости можно представить в виде:

R=P/v_m.

Это выражение является акустическим аналогом закона Ома (Р - аналог электрического напряжения, а v_m - силы тока).

Акустическая волна, распространяясь в среде, переносит с собой энергию.

Величина, численно равная энергии W, переносимой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространению волны, называется интенсивностью ультразвука, I = W/St. Единица измерения Вт/м². Интенсивность плоской синусоидальной волны составляет:

Из предыдущего выражения следует:

Таким образом, зная интенсивность волны, ее частоту и акустическое сопротивление рс среды, можно вычислить амплитуду А смещения частиц, их колебательной скорости v_m колебательного ускорения и переменного давления в плоской упругой волне.