1.6. Зависимость скорости звука в биологических тканях от температуры

В 1.4 приведен ряд графиков (см. рис. 1.7), отражающих зависимость скорости звука в воде и водных растворах от температуры. Соответствующие кривые имеют форму параболы. Другой характер имеют температурные зависимости скорости звука в мягких тканях [3]. Так, на рис. 1.10 приведены примеры, характеризующие зависимость скорости распространения звука в мягких тканях млекопитающих и человека. Незакрашенные значки относятся к жировым тканям, закрашенные – к тканям других типов. Из представленных данных видно, что жировая ткань отличается от остальных тканей не только низкими значениями скорости звука, но и тем, что температурный ко-

Рис. 1.10. Зависимость скорости звука в мягких тканях млекопитающих и человека от температуры

эффициент скорости dc/dt у нее отрицателен. Исследования же тканей нежирового характера показали, что все они характеризуются положительными значениями dc/dt. Отсюда можно сделать вывод о том, что в сложных структурах (например, паренхима молочной железы) зависимость скорости звука от температуры носит непредсказуемый и изменчивый характер.

Зависимость скорости звука от температуры для мягких тканей нежировой природы характеризуется максимумом скорости в области температур 4050 C, т. е. аналогична подобным зависимостям для разбавленных водных растворов солей. В противоположность этому поведение жировой ткани больше похоже на поведение неводных жидкостей (спиртов), что объясняется низким содержанием воды в жире.

Низкая скорость звука в жире определяет его важную роль (с акустических позиций) как составного элемента некоторых тканей. Например, в нормальной печени и печени с патологическими изменениями низкое содержание воды обусловливает более высокую скорость звука. Если же изменения в печени сопровождаются повышением содержания жировой составляющей, то скорость звука будет уменьшаться.

Из всего изложенного в гл. 1 становится очевидным, что скорость звука является исключительно важной характеристикой биологических тканей. В настоящее время разработано большое количество разнообразных методов измерения скорости звука в различных материалах. К сожалению, зачастую их трудно применить к исследованию биологических тканей. Методы измерения in vivo, по существу, еще только начинают развиваться. Трудности, которые стоят на пути развития этих методов, требуют существенных усилий для их преодоления. Однако все эти усилия, несомненно, будут оправданны, так как знание такого важного параметра, как скорость звука в биологических тканях, обязательно приведет к росту эффективности акустических методов диагностики.

2. Затухание и поглощение ультразвука в биологических средах

Глубина прозвучивания и качество формируемых эхоизображений в значительной степени зависят от коэффициента затухания ультразвуковых волн при их распространении в объекте исследования. Основные причины затухания – расхождение ультразвукового пучка, рассеяние и поглощение волн.

Вследствие расхождения луча с увеличением расстояния происходит и увеличение волновой поверхности, а следовательно, уменьшается интенсивность ультразвукового излучения.

Поглощение звука в различных средах может быть обусловлено разнообразными факторами: вязкостью и теплопроводностью, тепловыми колебаниями кристаллических решеток и т. д.

Рассеяние ультразвука в неоднородных средах определяется двумя основными факторами: упругой анизотропией и наличием распределенных включений, соизмеримых с длиной волны.

Рассеяние ультразвука в биологических средах определяется их структурой и гистологическими свойствами, причем основной вклад в степень рассеяния ультразвуковых волн в биологических средах вносит акустическая гетерогенность биосреды на микроструктурном уровне [1]. В тканевых структурах, имеющих сложную клеточную текстуру (например, ткань почек), ультразвуковые волны затухают сильнее, чем в тканях с менее сложной клеточной организацией (жир, печень). Возможно, эти различия возникают в основном из-за изменения коэффициента рассеяния ультразвуковых волн, который велик в тканях сложной текстуры. Коэффициент затухания ультразвуковых волн при фиксированной частоте обычно выражают в логарифмических единицах – децибелах или неперах на единицу расстояния.