2.2. Затухание в биологических тканях

Затухание, т. е. ослабление звука тканью, включает в себя истинное поглощение (переход в тепло), рассеяние и расхождение ультразвукового луча с расстоянием.

В настоящее время существует большое количество методов измерения затухания ультразвука в различных средах (см., например, [4]). Однако следует отметить [3], что из всего этого разнообразия лишь сравнительно небольшое число методов пригодно для измерения затухания в биологических тканях в частотном диапазоне, который характерен для медицинских приложений.

Бэмбер [3], анализируя методы и устройства для измерения затухания, разделяет их на узкополосные и широкополосные.

Узкополосные системы. Узкополосность устройств для измерения затухания понимается в том смысле, что излучаемый акустический сигнал содержит довольно большое число периодов высокочастотных колебаний. При этом можно считать, что измерения проводятся практически на одной частоте. Такие методы не дают возможности непосредственно измерять частотную зависимость. Измерения необходимо проводить "по точкам" (на фиксированных частотах). Основной класс измерительных систем подобного вида составляют импульсные устройства, которые можно подразделить на устройства с "фиксированным расстоянием" и устройства с "переменным расстоянием". При этом под расстоянием необходимо понимать расстояние между приемным и излучающим преобразователями. В общем случае это расстояние может совпадать, а может быть и отличным от пути прохождения звуковой волны через образец ткани. Излученные короткие импульсы, пройдя через образец, регистрируются либо приемным преобразователем, либо, после повторного прохождения через образец, самим излучающим преобразователем, который в это время работает в режиме приема. Преимуществами импульсного метода являются исключение возможности образования стоячих волн и нагрева образца за счет поглощения.

В устройствах с переменным расстоянием коэффициент затухания определяется по скорости изменения логарифма амплитуды принятого сигнала в зависимости от местоположения приемника или отражателя. При таких измерениях полученные результаты не зависят от значений коэффициентов отражения или эффективности электромеханического преобразования. С помощью названных устройств можно получать абсолютные значения коэффициентов затухания. Однако их использование требует учета дифракционных потерь. Подобные устройства позволяют проводить измерения с погрешностью не хуже 5% и применяются на частотах выше 3 мГц. Некоторым недостатком можно считать требование к размерам образца – его объем должен быть не менее 0,5 л. С увеличением частоты требования к размеру образцов снижаются. Так, в диапазоне 1215 мГц возможно использование образцов объемом всего лишь несколько миллилитров, причем погрешности из-за дифракционных потерь незначительны. В этом случае основными источниками погрешности являются: калибровка электронных блоков обработки сигналов; измерения расстояний; взаимная юстировка излучающего и приемного преобразователей. При надлежащем контроле температуры и использовании однородных образцов точность измерений может достигать 0,5%. Устройства с переменным расстоянием обычно используются для исследования биологических растворов и жидкостей на частотах вплоть до 200 мГц. Применение таких устройств для измерения в нежидких тканях является затруднительным, так как возникают сложности, связанные с изменением расстояния между излучателем и приемником.

В устройствах с фиксированным расстоянием широкое распространение получил метод введения образца (см. 1.1), когда при первом измерении фиксируется амплитуда сигнала, прошедшего через эталонную среду, а при втором – амплитуда сигнала, прошедшего сквозь плоскопараллельный слой биологической ткани. Далее амплитуды двух прошедших сигналов сравниваются. К недостаткам метода можно отнести: влияние отражений от поверхностей образца, которые вносят вклад в величину измеренных потерь; трудности при изготовлении плоскопараллельного образца. Погрешность метода составляет 10% или даже больше. Ситуацию можно в некоторой степени улучшить, автоматически исключив влияние потерь на отражение, если провести ряд измерений на образцах одного и того же материала различной длины. В этом случае коэффициент затухания определится по наклону кривой, которая характеризует затухание в зависимости от толщины образца.

К классу узкополосных систем относятся также измерительные устройства, в которых используются непрерывные волны и резонансные явления, – интерферометрические и реверберационные устройства [4].

Ультразвуковые интерферометры делятся на интерферометры с переменной базой и интерферометры с перестраиваемой частотой. В обоих случаях обеспечивается резонансное расстояние между излучающим и приемным преобразователями или между излучателем и плоским отражателем. Искомая длина волны и, соответственно, фазовая скорость звука определяются по расстоянию или по разности частот между отдельными резонансными пиками. Коэффициент затухания можно найти, измеряя зависимость амплитуды резонансных пиков от расстояния или ширину этих пиков. В общем случае на результаты измерений существенно влияют дифракционные эффекты и переотражения от боковых стенок камеры, поэтому интерференционные методы не являются абсолютными и требуют калибровки по жидкости с известными акустическими свойствами. Тем не менее, они обеспечивают возможность измерений в широкой полосе частот при малых объемах исследуемой среды. В некоторых типах интерферометров объем исследуемой жидкости составляет всего 10 мл, а иногда даже не превышает 1 мл. Диапазон рабочих частот варьируется в пределах от 0,2 до 10 мГц. Такой интерферометр использовался Госсом и Данном для измерения затухания звука в суспензиях коллагена в диапазоне частот 0,53 мГц. Расчетная погрешность измерений составляла при этом 10% [3].

При определении затухания с помощью реверберационных систем измеряют скорость затухания колебаний в большой и почти не имеющей потерь резонансной камере (например, тонкостенная стеклянная сфера, помещенная в вакуум), в которой находится исследуемая жидкость. После выключения источника звука проводятся измерения скорости затухания колебаний, которые определяются главным образом коэффициентом затухания исследуемой жидкости. В этом случае дифракционные потери отсутствуют, но необходимо вводить поправки на потери в стенках камеры. Эти поправки могут быть определены путем измерения затухания в жидкости, выбранной в качестве эталонной, акустический импеданс которой равен импедансу исследуемой жидкости. Следовательно, реверберационные методы также не дают абсолютных значений коэффициента затухания. Рабочие частоты лежат в области ниже 1 мГц.

При измерении затухания звука в неоднородных средах с использованием фазочувствительных приемников возникают артефакты, известные под названием погрешностей "фазовой компенсации" (см. 1.3). В тех узкополосных системах, где применяются нечувствительные к фазе приемники, которые реагируют на мощность излучения, этот источник погрешности отсутствует. Обычно используется метод введения образца, причем в качестве эталонной жидкости берут воду. В качестве устройств, реагирующих на мощность излучения, широко применяются радиометры. Они реагируют на давление звуковой радиации, вызываемое силами, действующими на препятствие в звуковом поле. Это объясняется тем, что давление в направлении распространения волн оказывается несколько большим, чем в других направлениях. Необходимо отметить, что отношение радиационного давления к звуковому давлению в потоке на несколько порядков меньше единицы, поэтому определение радиационного давления связано с большими трудностями.

При работе с приборами, реагирующими на мощность излучения, необходимо исключить погрешности, связанные с ультразвуковой дегазацией образца и контактной жидкости, а также с изменением плавучести мишени радиометра под действием ультразвукового нагрева. Тем не менее, метод определения радиационного давления дает наиболее согласующиеся и точные данные о затухании звука в тканях млекопитающих [3].

Широкополосные системы. Требуют применения коротких излучаемых импульсов, имеющих широкий спектр частот. Такие системы стали в настоящее время наиболее популярными для исследования акустических характеристик биологических тканей.

В широкополосных системах исследование образцов биотканей обычно проводится на основе метода введения образца. Для обеспечения хорошего акустического контакта в качестве контактной среды используется вода или физиологический раствор. Применяются схемы либо с двумя преобразователями, либо с одним, работающим в режиме "прием – излучение". Принятые звуковые импульсы преобразуются в спектр акустических частот. Зависимость коэффициента затухания от частоты определяется измерением логарифмов отношения амплитуд соответствующих спектральных компонентов, которые получаются при введении образца и при его отсутствии.