Распространение ультразвука в биологических тканях

Физические основы распространения ультразвука в биологических тканях

Ультразвуком называют упругие колебания в среде с частотами выше верхнего предела слышимости человеческого уха, то есть свыше 20 кГц. В медицинской диагностике наиболее часто используются диапазоны частот от 1 до 20 МГц. Распространение ультразвука в биологических тканях обусловлено основными физическими свойствами среды, такими как плотность, упругость, вязкость и наличие внутренних структурных неоднородностей.

Волновые характеристики ультразвука

Ультразвуковые волны, распространяющиеся в тканях, можно охарактеризовать следующими параметрами:

Скорость распространения звука (c) — зависит от плотности ρ и модуля объемной упругости K среды: c = √(K/ρ). Для большинства мягких тканей человека скорость звука составляет примерно 1540 м/с.
Длина волны (λ) — связана с частотой (f) и скоростью распространения: λ = c / f.
Импеданс (Z) — акустическое сопротивление среды, равное произведению плотности на скорость звука: Z = ρ * c. Различие импедансов на границах сред определяет степень отражения и прохождения ультразвуковых волн.
Интенсивность волны (I) — количество энергии, переносимое волной в единицу времени через единичную площадь: I ∝ A², где A — амплитуда давления.

Отражение и преломление на границе сред

При переходе ультразвуковой волны с одной среды в другую часть энергии отражается, а часть — проходит через границу. Это описывается коэффициентами:

Коэффициент отражения (R): R = ((Z₂ - Z₁)/(Z₂ + Z₁))².
Коэффициент пропускания (T): T = 1 - R.

Значительное отражение наблюдается на границах с резким изменением импеданса, например, на границе «мягкие ткани – кость» или «мягкие ткани – воздух». Это используется в УЗИ-диагностике для визуализации границ органов.

Затухание ультразвука в тканях

Ультразвуковая волна при прохождении через ткани постепенно ослабляется — происходит затухание, обусловленное следующими механизмами:

Абсорбция — преобразование акустической энергии в тепло вследствие внутреннего трения и вязкости среды.
Рассеяние — отклонение волны от первоначального направления из-за неоднородностей ткани (клеточные структуры, волокна, капилляры).
Дифракция — искажение фронта волны при прохождении через малые отверстия или при огибании препятствий.

Затухание описывается экспоненциальной зависимостью: I(x) = I₀ * e^(-αx), где α — коэффициент затухания (в дБ/см/МГц), x — глубина проникновения.

Значения α варьируются от 0,1 дБ/см/МГц (жир) до 1–2 дБ/см/МГц (мышцы, печень), до 10 дБ/см/МГц и выше (кость).

Влияние частоты на проникающую способность

С увеличением частоты разрешающая способность ультразвукового метода возрастает (уменьшается длина волны), но одновременно увеличивается и затухание. Таким образом, существует компромисс:

Для визуализации поверхностных структур (сосудов, кожи, щитовидной железы) используют частоты 7–15 МГц.
Для исследования глубоких органов (печень, почки) — частоты 2–5 МГц.

Анизотропия и неоднородность тканей

Биологические ткани — сложные среды с выраженной структурной неоднородностью и анизотропией (зависимостью свойств от направления). Это отражается на:

форме и скорости распространения ультразвуковых волн;
характере рассеяния и отражения;
возникновении продольных и поперечных волн в плотных тканях (например, в костях).

Особенно важно учитывать анатомическую направленность волокон в мышцах и сухожилиях, так как скорость звука вдоль и поперек волокон может отличаться.

Нелинейные эффекты

При высоких интенсивностях (например, в терапевтическом УЗИ) возможно развитие нелинейных эффектов:

искажение формы волны (появление обертонов и гармоник);
усиление локального нагрева;
кавитация — образование и коллапс пузырьков газа, сопровождающееся высвобождением энергии.

Хотя в диагностике обычно используют низкие интенсивности, понимание нелинейных процессов критично для оценки безопасности и разработки терапевтических методик.

Влияние температуры и состава тканей

Скорость распространения ультразвука зависит от температуры и водного содержания:

Повышение температуры снижает вязкость и может незначительно увеличивать скорость звука.
Обезвоженные ткани (например, кости) обладают высокой скоростью звука и значительным затуханием.
В жидкости (вода, кровь, моча) наблюдается минимальное затухание и высокая однородность.

Таким образом, точная калибровка УЗ-аппаратуры требует учета индивидуальных и физиологических особенностей исследуемых тканей.

Интерференция, дифракция и фокусировка

В условиях неоднородных сред и при использовании фазированных решёток наблюдаются явления:

Интерференция — наложение волн с образованием зон усиления и ослабления сигнала;
Дифракция — искривление волны при прохождении через отверстия, влияющее на разрешение;
Фокусировка — увеличение интенсивности в зоне фокуса за счёт направленного излучения (используется для повышения точности диагностики и локальной терапии, например, в HIFU).

Эти явления активно используются в современных технологиях медицинского ультразвука, включая 3D-визуализацию и ультразвуковую эластографию.

Биологические эффекты ультразвука

Хотя диагностические уровни ультразвука считаются безопасными, возможны биофизические воздействия:

Тепловое действие — нагрев тканей из-за поглощения энергии;
Механическое действие — сдвиговые деформации, кавитация;
Микроструи — локализованные потоки в жидких средах.

Пороговые значения интенсивностей для безопасного использования строго регулируются, особенно при длительном воздействии или в акушерстве.

Законы и модели, применяемые в медицинской ультразвуковой физике

Уравнение продольной волны в жидкости — описывает распространение давления в среде;
Уравнение Вестаервельта — учитывает нелинейные эффекты;
Модель слоистых сред — позволяет рассчитывать прохождение ультразвука через сложные тканевые структуры;
Модель Френеля и геометрическая акустика — применяются для оценки отражений и преломлений на границах тканей.

Использование этих моделей позволяет оптимизировать диагностику и повысить достоверность получаемых изображений.