Затухание ультразвука

Поглощенная биосредой УЗ-энергия выделяется в основном в виде тепла, что приводит к повышению температуры вещества. Это повышение температуры неоднократно измеряли экспериментально и рассчитывали теоретически. Теплопродукция в разных тканях неодинакова из-за различий в их коэффициентах поглощения.

• Можно показать, что в мышечной ткани толщиной в 1 см при интенсивности 1 Вт/см² в течение секунды поглощается около 0,3 Вт. Этому соответствует выделение тепла, достаточное для нагревания 1 см³ воды на 0,1.

• Полагая, что теплоемкость мышечной ткани и воды примерно одинакова, легко подсчитать (без учета рассеивания тепла), что мышечная ткань в этих условиях нагревается на 1°С за 10 с. Экспериментально повышение температуры в тканях наблюдали многие авторы.

• Однако результаты их исследований существенно различаются, что может быть обусловлено неравномерностью ультразвукового поля разных излучателей, различной степенью неоднородности исследованных тканей, разными условиями рассеивания теплоты.

• При облучении, например, брюшной полости собаки ультразвуком (0,5 Вт/см²; 0,88 МГц) температура в жировой ткани за 10 мин повышается на 3-4 °С, а в печени и на передней стенке желудка - на 0,5 - 0,8.

• В икроножной мышце лягушки, облучаемой ультразвуком (1 Вт/см²; 0,88 МГц) в течение 5 мин, температура повышается не более, чем на 5-7 °С.

Порог теплового повреждения тканей мало зависит от их начальной температуры, режима облучения и частоты ультразвука. Если температура ткани в ультразвуковом поле не превышает 42-43°С, то, по данным некоторых авторов, морфологические изменения в ней не наблюдаются даже после 8-часового облучения.

• Значительно больше, чем в объеме однородной ткани, выделяется теплота на границах раздела тканей с отличающимися акустическими сопротивлениями или на неоднородностях структуры ткани. Возможно, именно этим объясняется и то, что ткани со сложной архитектоникой (например, легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем однородные ткани (например, печень). Полагают, что нагревание тканей и градиенты температур на границах раздела разных тканей в основном и обусловливают биологическое действие ультразвука. Однако имитация ультразвукового нагревания тканей с помощью других термогенных воздействий - инфракрасным излучением, высокочастотными электромагнитными волнами, горячим парафином и пр. не дает того биологического и терапевтического эффекта, которого удается достичь с помощью ультразвука.

Ультразвук на границе сред

• Отражение УЗ на границе раздела сред зависит от соотношения волнового сопротивления сред.

Волновое сопротивление является характеристикой среды, определяющей условие отражения и преломления волн на границе сред.

Пусть УЗ-волна падает нормально на границу раздела сред. Интенсивность падающей волны -I₁, интенсивность преломленной волны –I₂.

I₂/ I₁=β - коэффициент проникновения звуковой волны.

По закону Релея:

β= (4c₁ρ₁/c₂ρ₂) / { c₁ρ₁/c₂ρ₂+1}²

При c1ρ1 = c2ρ2 коэффициент проникновения максимален и равен 1. В этом случае УЗ волны проходят во вторую среду без отражения.

Если c1p1<<c2p2, то c1p1/c2p2<<1 и коэффициент проникновения β рассчитывается по формуле:

Β = (4c1p1/c2p2).

В этом случае проникновение будет незначительное, а отражение УЗ-волны максимальное. Например, коэффициент проникновения на границе воздух-кожа составляет 0.08%.

• Если волновые сопротивления сред соизмеримы, то часть волнового потока отражается, а часть его проходит во вторую среду. В этом случае коэффициент проникновения рассчитывается по формуле Релея.

• Например, на границе глицерин-кожа коэффициент проникновения составляет 99,3%, а доля отраженной волны составляет 0.7%. Следовательно, если УЗ-излучатель приложить к коже человека, то ультразвук не проникает внутрь, т.к. практически полностью отражается от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. При использовании водного желе, которым покрывают поверхность кожи, интенсивность преломленной (проникающей) волны наибольшая.

• УЗ-волны обладают высокой отражательной способность на границе мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов.

• Если на пути распространения УЗ волны встречается другая среда, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая – отражается в первую среду.

• На границе раздела происходят основные явления: отражение, преломление и трансформация волн.

• Преломление – это изменение направления распространения волны, а трансформация – преобразование (превращение) волны одного типа в другой.

• Переходы исходного состояния волны в другие связаны энергетическими соотношениями, определяемыми, главным образом, типом падающей волны, углом ее падения и соотношением удельных акустических сопротивлений обеих сред.

В общем случае, если волна падает на границу раздела двух твердых сред под углом β из первой среды во вторую, то в обеих средах возникают четыре волны: в каждой по две волны продольного и поперечного типа.

Причем при облучении продольной «l» -волной образуются отраженные продольная «l₁» и поперечная «t₁», возникшая в результате явления трансформации, и две преломленные волны «l₂» и «t₂», из которых последняя трансформированная (рисунок слева).

При облучении поперечной волной также образуются отраженные волны «l₁» и «t₁», но трансформированная волна уже продольная, и две преломленные –«l₂» и «t₂», где волна продольного типа «l₂» также трансформированная (рисунок справа).

• Углы отражения β_e1, β_t1и α_e1, α_t1 преломления (ввода) отсчитываются от нормали к границе раздела в точке падения (ввода), они связаны между собой и углом падения β через соответствующие скорости законом Снеллиуса (закон «синусов» в оптике» в оптике).