2.1. Поглощение звука в биологических тканях

Поглощение ультразвука приводит к необратимому преобразованию энергии волны в тепло и к повышению температуры среды. Существует множество механизмов, ответственных за такое преобразование, хотя их можно подразделить на три класса [2]. Классические механизмы, которые для тканей проявляются слабо и включают в себя главным образом вязкие потери, причем в этом случае наблюдается квадратичная зависимость поглощения от частоты. Предполагается, что основной вклад в поглощение ультразвука в тканях (за исключением костной ткани и ткани легкого) вносит молекулярная релаксация, суть которой состоит в том, что связанные с волной флуктуации температуры или давления вызывают обратимые периодические изменения в конфигурации молекул. В тканях действует одновременно несколько механизмов молекулярной релаксации. Это приводит к определенным вариациям в частотной зависимости поглощения, хотя в целом она близка к линейной или степенной со степенью чуть больше единицы. И наконец, предполагается, что потенциально важную роль могут играть потери из-за относительного движения. Они связаны с тем, что распространяющаяся волна вызывает вязкое или затухающее под действием тепловой диссипации движение мелкомасштабных структурных элементов ткани. Совместное действие нескольких таких механизмов потерь может также быть причиной того, что частотная зависимость поглощения будет заключена между линейной ( ) и квадратичной ( ). Можно утверждать, что усложнение молекулярной организации простых растворов молекул приводит к увеличению поглощения ультразвуковых волн.

Температурная зависимость поглощения звука в тканях носит сложный характер, причем на частотах выше 12 мГц температурный коэффициент поглощения отрицателен и растет по абсолютной величине при повышении частоты. На более низких частотах этот коэффициент становится положительным [2].

По данным [3], известно очень мало работ, которые посвящены непосредственным измерениям коэффициента поглощения в биологических тканях (в противоположность косвенным оценкам поглощения по результатам измерений затухания и рассеяния звука). Можно выделить два метода измерения коэффициента поглощения – метод нестационарного нагрева и метод затухания теплового импульса.

Метод нестационарного нагрева. Основан на регистрации скорости повышения температуры в локальной области с помощью термопарного датчика. Этот метод можно считать одним из тех, в которых измеряется именно та часть ультразвуковой энергии, которая поглощается средой и необратимо переходит в тепло. Суть метода заключена в следующем. Термопарный датчик малых размеров (по сравнению с длиной волны) вводится в исследуемый образец биологической ткани. Далее образец облучается короткими импульсами плоских ультразвуковых волн заданной частоты. На протяжении нескольких десятых долей секунды от начала воздействия наблюдается быстрое повышение температуры датчика, которое обусловлено поглощением энергии за счет вязкого относительного движения среды и проволочек, образующих термопару. Этот участок температурной кривой становится более выраженным на низких частотах или при малом поглощении в среде, что ограничивает применимость данного метода в низкочастотной области (наименьшая частота составляет примерно 300 кГц). Дальнейшее повышение температуры в течение примерно 1 с носит сравнительно линейный характер и обусловлено локальным поглощением звука в образце. Коэффициент поглощения ультразвука в образце определяется по начальному наклону этого линейного участка температурной кривой, если известны такие параметры, как плотность среды, ее удельная теплоемкость при постоянном давлении, а также интенсивность акустического поля. В биологических тканях с помощью термопарного датчика можно проводить измерения на частотах, не превышающих 7 мГц. Погрешность измерений составляет 1015%. Достоинствами описанного метода являются: 1) возможность прямого измерения коэффициента поглощения; 2) возможность проведения измерений по месту (in situ) в тканях живого организма (in vivo); 3) возможность проведения измерений в структурах малого размера (Данн с помощью термопарного метода измерил коэффициент поглощения в спинном мозге мыши) [3].

Если значение коэффициента поглощения очень мало, то для получения заметного приращения температуры необходимо использовать ультразвук большой интенсивности. При этом необходимо следить за тем, чтобы не возникали нелинейные эффекты.

Метод затухания теплового импульса (метод Паркера). Является альтернативой методу нестационарного нагрева. В этом методе Паркер использовал короткий ультразвуковой импульс длительностью менее 0,1 с. Вязкий нагрев в окрестности термопарного слоя и нагревание за счет истинного поглощения, как и в предыдущем случае, происходит одновременно. После прекращения воздействия импульса тепло из области нагрева будет отводиться за счет теплопроводности среды. Если по показаниям термопарного датчика построить температурную кривую, то на ее начальном участке будет наблюдаться быстрый спад температуры. Объяснение этого факта состоит в том, что вязкий нагрев происходит только в малом объеме, который непосредственно окружает термопару. Далее в течение примерно 2 с кривая остывания начинает соответствовать реальному уменьшению температуры в окружающей ткани. Аппроксимируя этот участок кривой остывания на начальные моменты времени, Паркер определял полную поглощенную энергию и, соответственно, коэффициент поглощения. Полученные этим методом результаты очень хорошо согласуются с данными измерений, выполненных методом нестационарного нагрева.