Затухание ультразвука в биологических тканях

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

Поглощение обусловлено вязкостью, теплопроводностью биологических тканей, а также сложными процессами, полное понимание которых пока отсутствует.

В зависимости от расстояния (глубины) амплитуда давления УЗ волны из-за рассеяния и поглощения уменьшается по экспоненциальному закону:

Р=Р₀* e^-αx

где х - расстояние, пройденное УЗ волной,

p0 - начальная амплитуда давления (при х = 0),

p - амплитуда давления на расстоянии х,

α - коэффициент затухания.

При фиксированной частоте коэффициент затухания обычно выражается в логарифмических единицах - децибелах на единицу расстояния:

На рисунке 19 приведены экспериментально полученные характеристики затухания в биологических тканях в зависимости от частоты ультразвука, эта зависимость изображена пунктиром и характеризуется 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.

Характеристики затухания в биологических тканях

Таблица 3

Коэффициенты затухания ультразвука в биологических средах.

Таблица 4.

Рисунок 19 - Зависимость затухания ультразвука от частоты в биологических 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.

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 К= 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.

Рисунок 20 - Увеличение периода колебаний и длительности импульса вследствие частотно зависимого затухания, а - исходный импульс, б - тот же импульс после прохождения среды с затуханием.

Костные 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.

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.

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