Звуковая волна, проходящая через биологические ткани, взаимодействует с их структурой на микро- и макроуровне, вызывая отражение, рассеяние, поглощение и преломление. Основными физическими параметрами, характеризующими акустические свойства тканей, являются:
Каждый из этих параметров зависит от анатомической структуры, содержания жидкости, плотности, упругости и температуры ткани.
Скорость распространения звука в тканях определяется их упругими и инерционными свойствами, согласно уравнению:
$$ c = \sqrt{\frac{K}{\rho}}, $$
где K — модуль объемной упругости, ρ — плотность материала. В мягких тканях организма скорость распространения ультразвука обычно составляет 1450–1650 м/с. Примеры:
Скорость сильно варьирует в зависимости от уровня минерализации, водного баланса и анатомических особенностей ткани.
Акустическое сопротивление — это произведение плотности среды на скорость звука:
Z = ρ ⋅ c
Оно определяет, насколько интенсивно волна отражается или проходит через границу двух сред. Резкие изменения акустического сопротивления приводят к сильному отражению ультразвука. Это особенно важно при переходе звука с мягкой ткани на кость или газ, где наблюдается значительная потеря сигнала.
| Ткань | Z (МРа·с/м) |
|---|---|
| Вода | ~1.5 |
| Жир | ~1.38 |
| Мышца | ~1.7 |
| Печень | ~1.65 |
| Кость | ~7.8 |
| Воздух | ~0.0004 |
При переходе звука через границу двух сред с различным акустическим сопротивлением часть энергии отражается, а часть проходит. Коэффициент отражения R вычисляется по формуле:
$$ R = \left( \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1} \right)^2 $$
При большой разнице сопротивлений (например, между мягкой тканью и костью или воздухом) коэффициент отражения приближается к единице, что создает акустическую тень за объектом.
Ультразвук при прохождении через ткани теряет энергию из-за:
Потери энергии описываются коэффициентом затухания α (в дБ/см·МГц). Он увеличивается с частотой и зависит от типа ткани.
| Ткань | α (дБ/см·МГц) |
|---|---|
| Жир | ~0.6–1.0 |
| Мышца (поперечно) | ~1.3–1.5 |
| Мышца (вдоль) | ~0.4–0.6 |
| Печень | ~0.5–0.7 |
| Кость | >20 |
Таким образом, глубина проникновения ультразвука обратно пропорциональна частоте. Поэтому для глубоких структур применяются низкие частоты (1–3 МГц), а для поверхностных — высокие (7–15 МГц).
Биологические ткани — неоднородные среды, содержащие множество структур, сравнимых по размерам с длиной волны ультразвука. Это приводит к рассеянию звука, наиболее интенсивному в тканях с выраженной микроструктурой (мышцы, паренхиматозные органы, опухоли). Рассеяние может быть:
Механизмы рассеяния дают дополнительную информацию в эхографических изображениях, формируя характерную зернистость тканей и позволяя отличать здоровые и патологические участки.
Некоторые ткани, особенно мышцы и сухожилия, обладают выраженной анизотропией — зависимостью акустических свойств от направления распространения волны. Например, скорость и затухание ультразвука вдоль мышечных волокон отличается от значений поперек волокон. Это важно учитывать при ультразвуковой диагностике, так как ориентация датчика может существенно повлиять на качество визуализации.
Эластические свойства тканей влияют на распространение сдвиговых волн, что лежит в основе эластографии — метода оценки жесткости тканей по скорости распространения упругих колебаний. Он особенно полезен при диагностике фиброза, опухолей и других структурных изменений.
Современные методы, такие как акустическая радиационная сила импульсного воздействия (ARFI) и сдвиговая эластография, опираются на точные измерения отклика ткани на акустическое давление, дополняя традиционную ультразвуковую диагностику.
Границы между тканями с различными акустическими свойствами создают условия для многократного отражения, интерференции и резонансных явлений. Особенно это проявляется в органах с полыми структурами (мочевой пузырь, желчный пузырь, сосуды), где возникают артефакты в виде усиления сигнала (усиление заднего эха), реверберации, зеркальных отражений.
Понимание этих эффектов необходимо как для интерпретации ультразвуковых изображений, так и для повышения диагностической точности.
С увеличением температуры:
Это имеет значение при терапевтическом ультразвуке и гипертермических методах лечения, где ультразвук используется для прогрева тканей и индукции локализованных температурных эффектов.
Патологические процессы изменяют акустические свойства тканей:
Учет этих изменений позволяет проводить неинвазивную диагностику с высокой точностью, особенно при использовании многочастотного ультразвука, допплерографии, контрастных агентов и эластографии.
Для моделирования акустических процессов в тканях применяются:
Такие модели позволяют предсказать поведение ультразвука в различных типах тканей, в том числе при опухолевом росте, ишемии, воспалении.
Комплексная оценка акустических свойств тканей лежит в основе всех диагностических и терапевтических методов ультразвуковой медицины. Понимание физики взаимодействия ультразвука с тканями необходимо врачу-радиологу, медицинскому физику и инженеру-разработчику оборудования.