Акустические свойства тканей и органов

Физические основы акустических свойств биологических тканей и органов

Акустические свойства тканей зависят от их плотности (ρ) и скорости распространения звука (c). Эти параметры определяют акустическое сопротивление Z = ρ ⋅ c, которое играет ключевую роль в отражении, преломлении и поглощении звуковых волн в тканях.

Для различных тканей характерны разные значения:

Ткань Плотность, кг/м³ Скорость звука, м/с Акустическое сопротивление, МРа·с/м
Жир ~920 ~1450 ~1,33
Мышцы ~1050 ~1580 ~1,66
Кость (компактная) ~1900 ~4080 ~7,75
Кровь ~1060 ~1570 ~1,67
Вода ~1000 ~1480 ~1,48

Таким образом, акустическая неоднородность между тканями обусловливает отражение и рассеяние ультразвуковых волн.

Поглощение звука в биологических тканях

Поглощение ультразвука в тканях обусловлено рядом механизмов:

  • Вязкое трение — преобразование механической энергии волны в тепловую за счёт внутреннего трения между слоями среды.
  • Теплопроводность — неоднородности температуры, возникающие при прохождении волны, вызывают дополнительное рассеяние.
  • Дисперсия и релаксационные процессы — энергия ультразвука рассеивается в результате релаксации макромолекул или структуры ткани.

Поглощение описывается коэффициентом затухания α, который, как правило, зависит от частоты:

α(f) = α0 ⋅ fn

где:

  • α0 — коэффициент поглощения при 1 МГц,
  • f — частота в МГц,
  • n — эмпирический показатель (обычно около 1).

Для мышц характерно:

α ≈ 1 − 2 дБ/см/МГц

А для костной ткани:

α ≈ 20 − 30 дБ/см/МГц

Акустическое сопротивление и отражение волн

Граница между двумя средами с различным акустическим сопротивлением вызывает частичное отражение звуковой волны. Отражательная способность (коэффициент отражения по интенсивности) определяется как:

$$ R = \left( \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1} \right)^2 $$

где Z1 и Z2 — акустические сопротивления двух смежных сред.

Примеры:

  • Между мягкими тканями и воздухом отражение близко к 100%, что делает воздух серьёзной преградой для УЗ-диагностики.
  • Между мышцей и жиром отражение около 1–2%, что позволяет хорошо визуализировать внутренние структуры.

Анизотропия и направленность распространения звука

Биологические ткани не являются изотропными. Мышечные волокна, коллагеновые структуры и костная ткань демонстрируют направленную зависимость акустических свойств:

  • Мышцы: скорость звука вдоль волокон выше, чем поперёк (анизотропия до 10%).
  • Кость: выраженная анизотропия и высокая дисперсия.

Это важно учитывать при проведении ультразвуковых исследований, особенно в спортивной медицине и ортопедии.

Рассеяние ультразвука в тканях

Рассеяние возникает при встрече звуковой волны с неоднородностями размеров, соизмеримых с длиной волны. В тканях такими неоднородностями могут быть клетки, ядра, органеллы, сосуды и фибриллы.

Различают:

  • Малое рассеяние (Рэлеевское), характерное для частиц, размеры которых ≪ длины волны. Интенсивность ∝ f4.
  • Геометрическое рассеяние (на крупных структурах), где важна форма и ориентация объекта.

В медицинской диагностике анализ рассеянного сигнала позволяет дифференцировать ткани (например, жировую и опухолевую).

Нелинейные эффекты

В тканях на высоких амплитудах ультразвука могут возникать нелинейные явления:

  • Генерация гармоник (вторая, третья и т.д. гармоники исходной частоты),
  • Ускоренное поглощение и тепловое воздействие,
  • Формирование ударных волн.

Нелинейность учитывается при высокоинтенсивной ультразвуковой терапии (HIFU) и контрастной эхографии.

Резонансные явления в замкнутых структурах

Некоторые полости организма (например, синусы, полые органы) могут демонстрировать резонансные свойства. При определённых частотах звуковая энергия усиливается за счёт стоячих волн, что может приводить к локальному повышению температуры или амплитуды давления.

Дифракция и преломление

Акустические волны подвержены преломлению при переходе между средами с различной скоростью звука, что важно при формировании фокусированных ультразвуковых лучей.

Дифракция возникает при прохождении волн через узкие отверстия или около острых краёв органов. Она ограничивает пространственное разрешение ультразвуковых методов и требует применения аподизации и фазированных решёток для коррекции.

Биомеханические корреляты акустических свойств

Акустические характеристики тесно связаны с механическими свойствами ткани:

  • Жёсткость (модуль Юнга),
  • Вязкость (коэффициент внутреннего трения),
  • Эластичность (обратимость деформации).

Современные методы эластографии основываются на регистрации изменений скорости распространения сдвиговых волн, что позволяет картировать тканевую жёсткость и выявлять фиброз, опухоли, воспалительные процессы.

Акустика в патологии

Патологические изменения тканей, как правило, сопровождаются изменением их акустических свойств:

  • Опухоли — часто более плотные, с повышенным рассеянием и затуханием,
  • Кисты и жидкости — низкое поглощение и высокое пропускание,
  • Фиброзы — увеличение жёсткости и скорости распространения.

Эти отличия лежат в основе диагностической значимости ультразвука, включая допплерографию, B-режим, цветное и спектральное картирование.

Температурная зависимость

Скорость звука и вязкость тканей зависят от температуры. Повышение температуры:

  • снижает вязкость,
  • немного увеличивает скорость звука,
  • усиливает поглощение.

Это особенно критично при термолечении (HIFU, лазерно-индуцированная гипертермия) и требует контроля параметров УЗ-воздействия.

Эмпирические и теоретические модели

Для описания акустических свойств тканей используются:

  • Модель жидкой среды с рассеянными включениями — для крови, лимфы, гелей;
  • Пористые модели — для лёгких, губчатой кости;
  • Модели многослойных сред — для кожи, сосудов, кишечной стенки;
  • Нелинейно-упругие модели — в биомеханике мягких тканей и при высокоинтенсивных воздействиях.

Их применение позволяет проводить численное моделирование акустических полей и оптимизировать параметры ультразвуковых устройств.

Перспективы исследования

Изучение акустических свойств тканей на микро- и наноуровне (например, с помощью акустооптической томографии и ультразвуковой микроскопии) открывает новые горизонты в биофизике. Особый интерес представляют:

  • Исследования клеточной и субклеточной механики,
  • Дифференциация тканей по акустическим спектрам,
  • Биосенсоры на основе ультразвука.

Развитие этих направлений требует точных физико-математических моделей, а также учёта биохимических и морфологических факторов, влияющих на акустические характеристики тканей.

Оглавление