Физические характеристики биологических сред

В БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Среди всех средств медицинской интроскопии или, другими словами, средств визуализации внутренних органов и структур ультразвуковые диагностические приборы занимают особое место. Это объясняется ря­дом существенных достоинств ульт­развукового метода исследований, основные из которых следует пере­числить.

1. Высокая диагностическая ин­формативность, обусловленная чувствительностью к физическим и фи­зиологическим изменениям характе­ристик биологических тканей.

2. Способность оценивать динами­ческие характеристики движущихся структур, прежде всего кровотока.

3. Безвредность обследований для пациента и врача, что обеспечивается достаточно низким уровнем излучае­мой мощности ультразвука.

4. Относительно небольшие раз­меры и вес аппаратуры.

Известны ограничения и недостатки ультразвукового метода диагностики:

- невозможность получения информации о газосодержащих струк­турах (легкие, кишечник);

-трудность получения диагностических данных при наблюдении через структуры со значительным отраже­нием а также затуханием и рассеянием ультразвука (костные ткани, уже упоминавшиеся газосодержащие структуры);

- малая чувствительность при исследовании органов и тканей с незначительным различием акустических характеристик.

Перечисленные достоинства и не­достатки ультразвуковых методов диа­гностики имеют физические причины, о которых говорится ниже.

В УЗ - диагностике используются продольные УЗ - волны, т.е. упругие колебания, направление распространения которых совпадает с направлением смещения частиц среды распространения. Коле­бания рабочей поверхности УЗ- датчи­ка, контактирующей телом пациента, передаются биологическим тканям, и в результате частицы среды также на­чинают колебаться относительно сво­его равновесного состояния, вызывая смещение соседних частиц, далее расположенных от датчика. Таким об­разом, колебания (или волны) распро­страняются вглубь тканей.

В УЗ - диагностических системах ис­пользуется эхолокационный принцип получения информации об органах и структурах, при котором излучаются

акустические сигналы и принимаются сигналы, отраженные от неоднородностей биологической среды, и таким образом строится акустическое изоб­ражение (рис. 2.1). Отраженные сигналы, которые принимаются датчиком и используются для диагностики, называются эхо-сигналами.

Рис. 2.1. Распространение и отражение УЗ - волн.

Поглощение, рассеяние и отражение УЗ - волн в биологических тканях являются причинами затухания, которое характеризует уменьшение энер­гии УЗ - волн при распространении.

Параметрами, которые влияют на перечисленные физические явления и на сложный процесс получения акус­тической диагностической информа­ции, являются скорость звука в среде и плотность среды. Именно различием скорости звука и плотности разных типов биологических сред объясняются акустические неоднородности биологических тканей, которые существенным образом влияют на формирование акустического изображения.

2.1.1. Скорость ультразвука в биологических средах,

от­ражение и преломление

Для всех видов биологических тканей скорость звука (ультразвука) в каждой из них практически не зависит от частоты (или длины волны).

В табл. 2.1 приведены пределы изменения скорости звука для ряда биоло­гических тканей человека. Кроме этого, для сравнения даны значения скорости звука в воздухе при нор­мальных условиях и в дистиллирован­ной воде при температуре +20°С.

Разброс значений скорости звука в тканях одного вида объясняется мно­гими причинами, в частности состоя­нием пациента, субъективными особенностями организма, возрастом, различием температур при проведе­нии измерений и т.д. В ряде случаев выявлена зависимость скорости зву­ка от состояния иссле- дуемой ткани (норма или патология), что в принци­пе могло бы быть использовано для диагностики, если бы удалось пре­одолеть трудности, связанные с точ­ным измерением скорости звука в от­дельных структурах in vivo. На основе данных табл. 2.1 можно выделить три класса тканей: ткани легкого с малой скоростью звука, что обусловлено высоким уровнем газосодержания; костные ткани с высокой скоростью звука и все остальные жидкие среды и мягкие ткани, скорость звука в которых отличается от скорости звука в воде не более чем на ±10%. У этих последних (водоподобных) тканей средняя скорость звука составляет 1540 м/с, незначительно отличаясь от скорости звука в воде. При построении акустического изоб­ражения используется допущение о постоянстве скорости звука в мягких тканях и жидких средах организма. Такое допущение позволяет с опре­деленной точностью рассчитать глу­бину расположения неоднородности по времени прихода отраженного от нее сигнала.

Таблица 2.1. Скорость УЗ-волн в различных средах и акустические

сопротивления сред

Среда	Скорость звука, м/с	Плотность относительно воды, ρс/ρв	Акустическое сопротивление относительно воды, Zс/Zв
Воздух Дистиллированная вода Легкие Жировая ткань Мозг Кровь Печень Мышечная ткань Почка Мягкие ткани Костная ткань Камни печени	400-1200 1350-1470 1520-1570 1540-1600 1550-1610 1560-1620 2500- 4300 1400- 2200	1,2 х 10^-3 1,0   - 0,95 1,03 1,06 1,06 1,07 1,07 1,06 1,2-1,8 -	0,3 х 10^-3 1,0   - 0,86-0,94 1,06-1,09 1,04-1,08 1,11-1,14 1,13-1,18 1,13 1,11 2,2-5,0 0,8-1,6

2.1.2. Акустическое сопротивление и его влияние на отражение УЗ

Важнейшей характеристикой биологической среды является акустическое сопротивление Z, которое определяется как произведение плотности среды ρ и cкорости звука С в ней: Z= ρ С.

В табл. 2.1 приводятся значения плотности различных сред относительно воды, т.е. величины, равные ρ_с/ρ_в (ρ_с-плотность среды, ρ_в - плотность дис­тиллированной воды). Видно, что у мягких тканей плотность не сильно отличается от плотности воды - не бо­лее чем на 7%.

В последнем столбце табл. 2.1 даны значения акустических сопротивлений различных сред, также приведенные к акустическому сопротивлению воды, т.е. указаны величины, равные Z _c/ Z _в (Z _c= ρ_с С _с - акустическое сопротивление среды, Z _в = ρ_в С _в - акустическое сопро­тивление дистиллированной воды). Акустические сопротивления замечательны тем, что их различие определяет характер отражения на границе сред.

Введем понятие коэффициента отражения по амплитуде К _отр, определяемого следующим отношением:

К _отр = p _отр/ p _пад,

где p _отр и p _пад - уровни давления отра­женной и падающей УЗ - волны соот­ветственно.

При перпендикулярном падении УЗ - волны на плоскую границу сред коэффициент К _отр вычис­ляется с помощью выражения

К _отр=│(Z₂-Z₁) /(Z₂+Z₁)│,

где Z₂ и Z₁ - акустические сопро­тивления граничащих сред, знак мо­дуля

(II) показывает, что берется аб­солютная величина (всегда положи­тельная) вычисленного отношения.

Эта простая формула позволяет очень наглядно проиллюстрировать характер формирования отраженных сигналов на границе сред и пояснить особенности и ограничения, свойст­венные УЗ - методам исследований.

Для мягких тканей и крови различие акустических сопротивлений лежит в пределах ±15% (таб. 2.1). Ёсли первая среда имеет относительное сопротив­лениеZ₁= 0,95, а вторая Z₂= 1,05, то К _отр = 0,05 (или 5%). Это означает, что только малая часть энергии падающей УЗ - волны вернется в виде отраженной УЗ - волны, а существенно большая часть будет распространяться вглубь тка-

ней, достигая следующих неоднородностей и опять частично отражаясь от них, постепенно затухая, и не зависит от того, какая из сред находится дальше другой - с большим или меньшим акустическим сопротивлением. Еще раз отметим, что уровень отраженного сигнала зависит только от степени акустической неоднородности граничащих тканей,

В табл. 2.2 приводятся в качестве иллюстрации значения коэффициента отражения УЗ - волны на границе биоло­гических сред, выраженные в процен­тах. Значения вычислены на основе вышеприведенной формулы в предположении, что падающая УЗ - волна рас­пространяется перпендикулярно плос­кой границе сред. Как уже говорилось, предположение это на практике почти никогда точно не выполняется, но поз­воляет проиллюстрировать основные закономерности отражения.

Из табл. 2.2 следует, что для мягких тканей коэффициент отражения по амплитуде не превышает 10%, снижа­ясь иногда до нуля, если соседствую­щие ткани не отличаются по акустиче­скому сопротивлению. В последнем случае их граница не может быть об­наружена (К _отр= 0).

Более высокий коэффициент отражения на границежировых тка­ней с другими мягкими тканями ил­люстрирует известный специалистам факт, что наблюдение структур, рас­положенных за многочисленными жировыми прослойками, сопряжено с определенными трудностями. Дей­ствительно, энергия УЗ - волны, прошедшей границу «жир - мягкие ткани», меньше, чем после прохождения гра­ницы других мягких тканей, и наряду с расфокусировкой УЗ -луча в жире это приводит к уменьшению уровня сигнала от структур, расположенных на больших глубинах.

Отражения от границы «мягкая ткань – камни (печени, почек или желчного пузыря)» могут меняться в широких пределах в зависимости от вида камня и его акустического сопротивления. Чем плотнее камень и чем больше скорость звука в нем, тем больше уровень отражения на его границе и тем легче его обнаружить. При большом акустическом сопро­тивлении камня отражения от него могут быть очень высокого уровня, так что в результате за ним образует­ся область акустической тени, т.е. область с низким уровнем отраженных сигналов, что обусловлено малым уровнем энергии прошедшей через камень УЗ - волны. Как известно, наличие акустической тени является од­ним из диагностических признаков наличия камня в органах.

Если камень имеет структуру, близкую к структуре мягких тканей, то обнаружить его иногда затруднитель­но вследствие малого уровня отра­женного сигнала. Это случай акусти­чески прозрачного, плохо диагностируемого камня. Как правило, такие камни хорошо выявляются с помощью рентгеновской диагностики.

Уровень отражения на границе «мягкая ткань - костная ткань» тоже может меняться в определенных пре­делах в зависимости от вида костной ткани.

Однако в большинстве случаев этот уровень велик, вследствие чего отраженная волна может быть боль­шей мощности, чем волна, прошед­шая далее. Помимо этого костная ткань в силу специфичности своего строения расфокусирует («разваливает») УЗ - луч, проходящий через нее. Все это существенно затрудняет возможность наблюдения структур, находящихся за костными тканями. По этой причине в кардиологии используют секторные и микроконвексные датчики, малая рабочая поверхность которых позволяет наблюдать сердце через межреберную щель. По этой же причине трудно получить двухмерное изображение мозга приемлемого качества при наблюдении через кости черепа, и только в неопатологии можно получать полноценное двухмерное изображение мозга новорожденных сканированием через родничок.

На границе « воздух - мягкие ткани» УЗ - волна отражается практически полностью, и дальше этой границы получить информацию невозможно. Поэтому при обследовании пациента на рабочую поверхность датчика наносится акустический гель, исключающий воздушную прослойку и обеспечивающий акустический контакт между датчиком и телом пациента.

Вследствие практически полного отражения на границе газовых образований и мягких тканей газосодержащие структуры (легкие, желудок, кишечник), а также ткани, находящиеся за этими структурами, с помощью ультразвука исследовать почти не возможно, что является серьезным ограничением для УЗ - диагностики.

Таблица 2.2. Коэффициент отражения ультразвука на границе

биологических сред

Граница сред	котр,%
Кровь-мышца Кровь-почка Кровь-печень Мышца-жир Печень-камни печени Мышца-кость Мозг-кость черепа Воздух-мягкие ткани	1,5 2,1 2,7 10,0 0-17,0 64,0 66,0 99,95

.

2.1.3. Затухание ультразвука в биологических тканях

Затухание ультразвука, т.е. сниже­ние энергии УЗ - волн в процессе их распространения вглубь тканей, су­щественным образом влияет на акустичес-­

кое изображение, прежде всего на максимальную глубину, с которой еще можно получать информацию, и на качество изображения.

Основными причинами затухания УЗ - волн являются: отражение и рассеяние УЗ - волн на неоднородностях поглощение УЗ - волн.

Дополнительное затухание имеет место из-за расходимости УЗ - луча, т.е. увеличения площади сечения луча с глубиной. Затухание из-за расходи­мости луча обычно по величине много меньше, чем вследствие отражения, рассеяния и поглощения УЗ - волн.

Затухание из-за отражения и рас­сеяния определяется геометрическими размерами, свойствами и прост­ранственным распределением акустических неоднородностей. Поглощение обусловлено вязкостью, теплопроводностью биологических тканей, а также сложными процессами, полное понимание которых пока отсутствует.

На базе обширных экспериментальных исследований получены основные закономерности и количест­венные оценки величин затухания в различных биологических тканях. В зависимости от расстояния (глубины) амплитуда давления УЗ - волны из-за рассеяния и поглощения уменьшается по экспоненциальному закону:

р = р _ое ^-αx,

где х - расстояние, пройденное УЗ - волной; р _о - начальная амплитуда давления (при х = 0); р - амплитуда давления на расстоянии х; α - коэффициент затухания.

В общем случае α = α _р + α _п, где α _р и α _п - коэффициенты затухания, соот­ветствующие рассеянию и поглоще­нию ультразвука. Раздельно измерить каждый из коэффициентов довольно трудно. Поэтому обычно анализирует­ся сум- марный коэффициент затухания α. Для биологических тканей и воды он зависит от частоты, увеличиваясь с по­вышением частоты ультразвука.

При фиксированной частоте коэффициент затухания обычно выража­ется в логарифмических единицах - децибелах на единицу расстояния [дБ/см]:

α = -20/ x (lg(p / p ₀)).

Удобство логарифмической формы выражения коэффициента состоит в

Рис. 2.2. Зависимость затухания ультразвука от частоты в биологиче-

ских тканях:1- легкие; 2 - кости черепа; 3 - кожа; 4 - мышца;

5 - мозг взрослого; 6 - мозг ребенка; 7 – печень; 8 –кровь;

9 - вода, 10 - среднее значение для мягких тканей

том, что степень затухания в децибелах на разных глубинах легко определяется умножением коэффициента α и величины х (в сантиметрах).

На рис. 2.2 приведены экспериментально полученные характеристики затухания в биологических тканях в зависимости от частоты ультразвука.

Для большинства тканей данные, опубликованные различными авторами, имеют существенный разброс. Поэтому на рис. 2.2 представлены примерные зависимости затухания от частоты, иллюстрирующие основные закономерности.

Несмотря на то, что имеются различия в величине затухания между тканями, можно построить некоторую среднюю зависимость затухания от частоты для мягких тканей. На рис. 2.2 эта зависимость изображена пунктиром и харак- теризуется всего одной цифрой - 0,7 дБ/(см МГц).

С помощью этой цифры очень легко определить среднее затухание на любом расстоянии на частотах ультразвука, применяемых в диагностике.

Если частоту обозначить f, а расстояние х, то среднее затухание ультразвука К в децибелах определяется простым соотношением К = 0,7 дБ/(см МГц) хf, в которое надо подставить х в см и f в МГц.

Так, например, на глубине 10 см при частоте f = 3,5 МГц затухание К = 25 дБ (3,2 х 10² раз по мощности), при часто­те f = 5 МГц K = 35 дБ (3,2 х 10³ раз по мощности), а при f = 7,5 МГц К = 55 дБ (3,2 х 10⁵ раз по мощности). Эти при­меры наглядно объясняют причину, по которой с увеличением частоты дат­чика уменьшается глубина исследова­ния в УЗ - диагностике. С увеличением

частоты величина затухания увеличи­вается вследствиечастотнозависимого характера затухания: уровень излученного датчиком сигнала на дан­ной глубине уменьшается. В той же мере уменьшается уровень эхо-сигна­ла, полученного в результате отраже­ния на этой глубине по мере прохож­дения им того же пути, но уже в обрат­ном направлении - к датчику. На час­тоте f = 3,5 МГц затухание на глубине 10 см не приводит к серьезным по­следствиям - эхо-сигналы, принимае­мые датчиком с этой глубины, имеют уровень, достаточный для их уверен­ного наблюдения. На частоте f = 5 МГц на той же глубине наблюдение очень слабых эхо-сигналов в ряде случаев может быть затруднено. На частоте f = 7,5 МГц нередко становится невоз­можно наблюдать даже сильные отражения - они неразличимы на фо­не случайных шумов и помех. Поэтому предельная глубина наблюдения для частоты 7,5 МГц составляет 70-90 мм. Возвращаясь к рис. 2.2, отметим, что костные ткани и ткани легкого имеют очень высокий уровень затухания - да­же на самой низкой из обычно исполь­зуемых в диагностике частот f = 2,5 МГц затухание составляет около 60 дБ/см. Легкие и ткани, находящиеся за ними, по причине затухания, как уже говорилось, не могут наблюдаться с помощью ультразвука.

Что касается костных тканей, то в ряде случаев, например при наблю­дении через относительно тонкую ви­сочную стенку черепа, можно полу­чать информацию о структурах, рас­положенных за костной тканью.

Отдельно следует сказать о затуха­нии в жидких средах. Затухание в кро­ви меньше, чем в мягких тканях. В во­де затухание очень мало: например, на частоте 7,5 МГц на расстоянии 10 см затухание составляет всего 1,2 дБ. Поэтому в моче и содержимом некоторых видов кист затухание также очень мало. Наблюдение через наполненный мочевой пузырь существенно облегчает получение информации о глубоко расположенных органах и широко используется в гинекологии. При наблюдении же водонаполненных кист вследствие малого в них затухания могут возникать артефакты, связанные с переотражением сигналов у границ кисты.

Малое затухание в воде дает возможность применять датчики с так на- зываемой водной насадкой (water bag), которые позволяют исключить зону плохого наблюдения (мертвую зону) при исследований близкорасположенных органов и структур.

Частотнозависимый характер затухания в биологических тканях, особенно в мягких, приводит к тому, что вид импульсного УЗ - сигнала изменяется по мере увеличения расстояния, которое он проходит. Это связано с тем, что более высокочастотные составляющие сигнала ослабляются сильнее, чем низкочастотные. В результате средняя частота сигнала смещается по мере увеличения глубины в сторону более низких частот, а период колебаний и длительность сигнала увеличиваются (см. рис. 2.3.).

Рис. 2.3. Увеличение периода колебаний и длительности импульса

вследствие частотнозависимого затухания: а - исходный

им­пульс; б - тот же импульс после прохожде­ния среды с

затуханием

На рис. 2.4 показано изменение спектра акустического импульсного сигнала в зависимости от пути прохождения в мягких биологических тканях. Видно, что если на самых малых глубинах спектр изменяется незначительно, то с увеличением глубины кривая, описывающая фор­му спектра, заметно сдвигается вле­во. Если центральная частота излучаемого сигнала быларавна 3.5 МГц, то на глубине 6 см она равна 3.1 МГц, а на глубине 12 см она близка к 2.8 МГц.

Смещение спектра эхо-сигнала в сторону низких частот с увеличением глубины должно учитываться при со­здании диагностического прибора. Поэтому во всех современных УЗ – приборах используется автоматическая подстройка частоты приемника эхо-сигналов в зависимости от глубины или, что то же самое, от времени прихода эхо-сигналов.

Рис. 2.4. Изменение спектра акустического импульсного сигнала с

увеличением глубины вследствие частотнозависимого

характера затухания (х-глубина). Пунктирной линией показано

изменение центральной частоты

Дата добавления: 2014-11-29