1.5. Результаты анализа опубликованных данных о скорости звука

Настоящий раздел содержит основные результаты анализа опубликованных данных о скорости звука, проведенного Дж. Бэмбером [3].

Общие положения. На рис. 1.8 приведены типичные примеры вариаций скорости звука для целого ряда биологических тканей человека и других млекопитающих. Указанные значения соответствуют данным, которые приводят разные авторы. С целью сравнения на этом же рисунке представлены и значения скорости распространения звука в некоторых материалах небиологического происхождения. Значения скорости звука в мягких тканях и биологических жидкостях, лежащие в сравнительно узком интервале, показаны с увеличением масштаба на диаграмме справа. Ряд данных получен на тканях, взятых у млекопитающих разных биологических видов; измерения проводились в диапазоне частот 1100 мГц, температура колебалась в интервале от 2

Рис. 1.8. Диаграммы изменения скорости звука в различных биологических средах

0 до 37 C. Все измерения были выполнены либо in vivo, либо на свежеудаленных образцах тканей. На рис. 1.8 использованы следующие обозначения: 1 – сталь; 2 – кварц; 3 – стекло; 4 – латунь; 5 – зубы; 6 – костная ткань; 7 – плексиглас; 8 – нейлон; 9 – полистирол; 10 – полиэтилен; 11 – желчный камень; 12 – натуральный каучук; 13 – желатин (10%); 14 – силиконовый каучук марки RTV; 15 – легкие; 16 – сухой воздух; 17 – кожа; 18 – селезенка; 19 – молочная железа; 20 – мышечная ткань; 21 – мозг; 22 – стекловидное тело и влага передней камеры глаза; 23 – печень; 24 – почки; 25 – молоко; 26 – околоплодная жидкость; 27 – спинномозговая жидкость; 28 – физиологический раствор (см. рис. 1.7); 29 – сухожилия; 30 – хрящи; 31 – хрусталик глаза; 32 – кровь; 33 – вода (см. рис. 1.7); 34 – жировая ткань.

Представленные данные свидетельствуют о том, что не наблюдается заметных различий в значениях скоростей звука для какой-либо конкретной ткани животных различных видов. Однако подобный вывод нельзя считать окончательно установленным, поскольку явная нехватка данных и отсутствие контроля условий проведения экспериментов могут помешать выявлению межвидовых различий при сравнительном анализе. Окончательное решение этого вопроса требует дальнейших исследований.

На основе данных, представленных на рис. 1.8, возможно выделение трех классов тканей:

1. Ткани легкого. Малая скорость звука в тканях этого вида объясняется высоким газосодержанием.

2. Костная ткань, которая по своим свойствам близка к твердому телу.

3. Все остальные жидкие среды и мягкие (водоподобные) ткани организма.

Большое различие в плотностях и скоростях звука наблюдается между мягкими тканями и костями, между мягкими тканями и легкими. Это влечет за собой очень сильное рассеяние ультразвука на границах раздела между этими тканями. К названным особенностям нужно добавить также высокие значения коэффициентов затухания в тканях первых двух классов (легкое и кость). Указанные обстоятельства сильно затрудняют, а иногда и делают невозможным получение качественных изображений акустических структур, которые расположены за легкими (или другими газосодержащими областями) и костями. В тканях, относящихся к третьему классу (биологические жидкости и мягкие ткани), различия в скорости звука невелики. Максимальные отклонения от некоторого среднего значения для этих тканей всего лишь 10%. Поэтому при проектировании акустических систем используется допущение о постоянстве скорости звука в этих структурах, позволяющее рассчитывать глубину залегания исследуемой структуры по времени прихода отраженного сигнала.

Из рис. 1.8 также следует, что скорости распространения звука в большинстве биологических жидкостей и мягких тканей (за исключением жировой ткани) превышают скорость звука в воде. При этом наибольшая скорость наблюдается в мышечных сухожилиях. Сами мышцы интересны тем, что имеют анизотропию структуры и способны сокращаться. Разные авторы приводят различные и зачастую противоречивые сведения о результатах измерений скорости вдоль и поперек волокон.

Следует отметить, что значение скорости звука в некоторых биологических жидкостях человеческого организма можно использовать как определенный диагностический параметр. Так, существуют расхождения в значениях скорости звука в желудочном соке, который был взят у пациентов с различными патологиями (гастрит, язвенная болезнь и рак желудка).

Р

Рис. 1.9. Дисперсия скорости продольных ультразвуковых волн: 1 – свежеудаленный мозг взрослого человека (37 С); 2 – гемоглобин крови человека в водном растворе (165 г/л; 15 С)

анее отмечалось, что скорость звука в мягких тканях мало зависит от частоты. Поэтому специально для исследования дисперсии скорости было разработано несколько систем, обеспечиваю­щих высокую точность измерения ско­рости звука. На рис. 1.9 представлены экспериментальные зависимости, которые характеризуют дисперсию скорости в растворе гемоглобина и мозге человека. Эти данные показали хорошее согласование с расчетной дисперсией скорости.

Костная ткань, помимо высокой скорости звука и сильного затухания, характеризуется и сравнительно сильными дисперсией и анизотропией. В зависимости от типа кости и направления распространения волны дисперсия скорости продольных волн может меняться от 1 до 12% в частотном диапазоне 13 мГц. Для сравнения можно отметить, что дисперсия скорости в мозге в том же частотном диапазоне не превышает 0,2%. Помимо продольных волн в костной ткани могут распространяться и сдвиговые волны. Скорость этих волн зависит от направления (18002200 м/с), но она всегда остается меньше скорости соответствующей продольной волны. Дисперсия сдвиговых волн довольно слабо зависит от направления.