Статья "Классификация электроизмерительных приборов "

Акустические свойства биологических объектов
В упругой среде ультразвук распространяется с определенной скоростью. По мере удаления от источника звука амплитуда колебаний становится все меньше и меньше вследствие поглощения энергии средой, в которой распространяется волна. При этом часть поглощенной энергии преобразуется в тепло в результате трения друг о друга частиц вещества, а часть вызывает необратимые структурные изменения. В ультразвуковой эхоскопии биомедицинских объектов обычно используются продольные волны. Поперечные (сдвиговые) и поверхностные ультразвуковые волны используются редко в связи с тем, что биологические среды имеют малую сдвиговую упругость (за исключением костной ткани). Теоретически поглощение должно быть пропорционально квадрату частоты. Однако при определенных условиях эта взаимосвязь имеет линейный характер или показатель степени влияния частоты, находящейся между 1 и 2. Величину поглощения характеризуют коэффициентом поглощения, который показывает, как уменьшается интенсивность ультразвука в облучаемой среде. Очевидно, что с ростом частоты он увеличивается. Его обычно характеризуют с помощью параметра, который называют глубиной проникновения. Это глубина, на которой интенсивность звука уменьшается наполовину. Глубина проникновения обратно пропорциональна поглощению. Чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором его интенсивность уменьшается наполовину. Скорость продольных ультразвуковых волн c зависит от адиабатической сжимаемости β и плотности ρ среды

Для твердых тел вместо адиабатической сжимаемости чаще используется обратная ей величина − модуль объемной упругости В

Для большинства сред скорость продольных волн мало зависит от частоты. Температурный коэффициент скорости ультразвука для большинства жидкостей не превышает 0.3% на один градус. Для анизотропных сред скорость ультразвуковых волн зависит от направления их распространения. Однако, хотя биологические ткани структурно существенно анизотропны, изменение скорости распространения волны проявляется только в костных тканях. В мягких биологических тканях и жидкостях скорость ультразвуковых волн практически не зависит от направления их распространения и близка к скорости распространения ультразвука в морской воде (порядка 1540 м/с). На это значение скорости калибруются ультразвуковые медицинские эхоскопы. Свойства среды пропускать ультразвуковые колебания характеризуются удельным акустическим импедансом. Для плоских волн волновое акустическое сопротивление среды Z равно удельному электроакустическому импедансу и определяется произведением скорости акустической волны c на плотность ρ
Z =ρ ⋅c
На границе сред с разными акустическими сопротивлениями наблюдаются отражение и рассеяние волн. Явление отражения чаще всего и используется для медицинской диагностики. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей, а также на границах раздела частей тела. Если ультразвук "наталкивается" на органы или участки тканей, размеры которых больше длины волны, то направление ультразвука изменяется. Происходит его отражение и рассеяние. Акустический импеданс среды в общем случае есть комплексная величина, которая зависит не только от волнового акустического сопротивления среды, но и от соотношения геометрических размеров отражающих структур среды и длины ультразвуковой волны. Наибольшее отражение ультразвуковой волны наблюдается на границе кости и окружающих ее тканей, а также на границах тканей, соприкасающихся с воздухом. Однако поскольку разные кости имеют разную структуру и форма их многообразна, то отраженные от кости ультразвуковые сигналы трудно распознать [9]. При отражениях на граничных поверхностях "воздух–ткань" наблюдается почти полное отражение ультразвуковой волны. Сильное отражение ультразвуковых колебаний от границ раздела "мягкая ткань–воздух" или "мягкая ткань–кость" приводит к затруднениям исследования легких, желудочно-кишечного тракта, головного мозга и некоторых других органов. При наклонном падении волны на границу раздела сред угол отражения равен углу падения θ и не зависит от акустических импедансов сред. В среду с другой скоростью распространения ультразвуковых волн они входят под другим углом из-за их преломления (рис. 10.1,а), так же, как в оптических системах, углы θ и θп зависят от соотношения скоростей распространения ультразвука в средах А и В

В биологических средах угол прохождения волны θп практически совпадает с углом θ из-за малых изменений скорости распространения. Это обстоятельство широко используется для формирования эхо-изображений. Причем обычно используются только нормально отраженные и обратно рассеянные акустические сигналы (рис. 10.1,б).

Рис. 10.1. Преломление и отражение ультразвуковой волны при косом (а) и нормальном (б) падении

Наложение падающей и отраженной волн приводит к появлению стоячей волны. В отличие от бегущей волны в ней не происходит переноса энергии (при отсутствии затухания в среде и при полном отражении). Но так как эхо-изображение формируется из отраженного 281 сигнала, который приходит после окончания ультразвукового импульса, это обстоятельство не имеет существенного значения. Обычно выделяют три типа отражателей ультразвуковых волн [69]: − одиночные отражатели, размеры которых меньше длины волны (диффузные отражатели с малой амплитудой отраженного эхосигнала, который имеет широкое пространственное распространение и коэффициент отражения, зависящий от отношения диаметра отражателя к длине волны в четвертой степени); − отражающие структуры с размерами, соизмеримыми с длиной ультразвуковой волны (зависимость коэффициента отражения от отношения диаметра отражателя к длине волны квадратичная, угловая ширина отражения большая, эхо-сигнал больше, чем у одиночного отражателя); − размеры отражающей поверхности значительно превышают длину ультразвуковой волны (отражение имеет значительную направленность, эхо-сигнал зависит от соотношения акустических импедансов на границе раздела сред и ее пространственной ориентации). В реальных биологических средах наблюдается наличие всех трех типов отражателей. Качество эхо-изображения существенно зависит от затухания ультразвуковых волн. Основными причинами затухания являются расхождение ультразвукового луча, рассеяние и поглощение волн. С увеличением расстояния из-за расхождения ультразвукового луча увеличивается волновая поверхность. Соответственно уменьшается энергия, приходящаяся на единицу площади этой поверхности, и уровень отраженного эхо-сигнала. Рассеяние ультразвука происходит на неоднородностях среды, соизмеримых с длиной волны. Поглощение ультразвука обусловлено различными факторами: вязкостью и теплопроводностью, тепловыми колебаниями кристаллической решетки и пр. В зависимости от расстояния r из-за рассеяния и поглощения амплитуда А давления ультразвуковой волны уменьшается по экспоненциальному закону
где: А0 − амплитуда при r = 0; α − коэффициент затухания. Коэффициент затухания волн зависит от частоты. При ее фиксированных значениях он обычно дается в логарифмических единицах − децибелах или неперах на единицу расстояния. В табл. 10.1 приведены коэффициенты затухания ультразвука в биологических средах на частоте f = 1МГц [69].

Таблица 10.1 Коэффициенты затухания ультразвука в биологических средах

Считается, что для биологических объектов безопасны интенсивность ультразвука до 0,1 Вт/см2 и общая энергия облучения до 50 Дж/см2 .