Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы (1035679), страница 4
Текст из файла (страница 4)
На основе данных табл. 1 можно выделить три класса тканей: ткани легкого с малой скоростью звука, что обусловлено высоким уровнем газо- содержания, 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 Н0%. 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 (см.
раздел 2.2). Различия в скорости звука в тканях определяют характер отражения на границе сред (рис. 8). При перпендикулярном падении звуковой волны на плоскую границу сред прошедшая волна не изменяет своего направления относительно падающей волны и отличается от нее уменьшенной энергией, потому что часть энергии вместе с отраженной волной переносится Краткие сведения по физике ультразвука ГбЛ Падающая Падающая Отраженная олна Прошедшая ~ Среда 2 ~, ' ~,Преломленная волна Рг Сг '1 волна ф~, С Ряс. а. Отражение и преломление ультразвука на границе сред.
з(п()7з(па = Сг/Сц Ультразвуковые диагностические приборы 1В в направлении, противоположном падающей волне (рис. 8а). При косом падении волны относительно плоской границы сред отраженная волна распространяется в соответствии с законом геометрической оптики, согласно которому угол отражения а„, равен углу падения а (оба угла отсчитываются от перпендикуляра к границе сред). При равенстве скоростей звука в средах (С, = С,) прошедшая волна не меняет своего направления относительно падающего луча, т.е. углы () и а равны друг другу. Если скорости звука в средах не равны (С, и С,), то имеет место преломление волны.
Углы падения а и преломления )) связаны между собой известным соотношением Снелля: При С с С, угол )) меньше угла гг, этот случай иллюстрирует рис. Вб. При С, > С, угол () больше угла а. При прохождении УЗ волной границы различных мягких тканей преломление обычно невелико вследствие небольшого различия в них скоростей звука. Гораздо более неприятным является влияние различия скоростей звука на фокусировку луча, о чем будет ска- зано в разделе 3.3. 1.4. Акустическое сопротивление, его влияние на отражение ультразвука Важнейшей характеристикой биологической среды является акустическое сопротивление с., которое определяется как произведение плотности среды р и скорости звука С в ней: У = РС.
В табл. 1 приводятся значения плотности различных сред относительно воды, т.е. величины, равные р,/р. (р,— плотность среды, р„— плотность дистиллированной воды). Видно, что у мягких тканей плотность не сильно отличается от плотности воды — не более чем на 7%.
В последнем столбце табл. 1 даны значения акустических сопротивлений различных сред, также приведенные к акустическому сопротивлению воды, т.е. Указаны величины, равные с, /с, (2'. = Р,С, — акустическое сопротивление среды, с, = Р.С. — акустическое сопротивление дистиллированной воды). Акустические сопротивления замечательны тем, что их различие определяет характер отражения на границе сред. Введем понятие коэффициента отражения по амплитуде К,, определяемого следующим отношением: Коз Ротр(Р~ад где Р, и Р— уровни давления отраженной и падающей УЗ волны соответственно.
При перпендикулярном падении УЗ волны на плоскую границу сред (см. рис. Ва) коэффициент К,„, вычисляется с помощью выражения к — А' 4 ~Ез+Е,1 Здесь К, и 2, — акустические сопротивления граничащих сред, знак модуля ((~) 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% (табл. 1). Если первая среда имеет относительное сопротивление 2, = 0,95, а вторая 2, = 1,05, ю К„, = 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 тканей, достигая следующих неоднородностей и опять частично отражаясь от них, постепенно затухая.
Если среды меняются местами, т.е. первая имеет с, = 1,05, а вторая 2, = 0,95, то, как следует из вышеприведенной формулы, результат не изменится: К„, = 0,05. Таким образом, коэффициент отражения зависит толысо от разности акустических сопротивлений сред и не зависит от того, какая из сред находится дальше другой — с большим или меньшим акустическим сопротивлением. Этот факт необходимо усвоить всем начинающим специалистам, которые иногда склонны объяснять зхогеннооть тканей (т.е.
уровень отраженных от них сигналов) тем, что глубже расположенные ткани имеют более высокое акустическое сопротивление (или большую плотность), чем ткани, расположенные ближе границы раздела. Еще раз отметим, что уровень отраженного сигнала зависит только от степени акустической неоднородности граничащих тканей, которая определяется разницей их акустических сопротивлений. В табл. 2 приводятся в качестве иллюстрации значения коэффициента отражения УЗ волны на границе биологических сред„выраженные в процентах (2).
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 выгюлняется, но позволяет проиллюстрировать основные закономерности отражения. Из табл. 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, = О). Более высокий коэффициент отражения на границе жировых 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, про- 30 Ультразвуковые диагностические приборы Краткие сведения по физике ультразвука Ультразвуковые диагностические приборы шедшей 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 можетменяться 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 («развалива- Таблица 2. КоэфФициент отражения ульт- развука на границе биологических сред ет») УЗ луч, проходящий через нее (об этом более подробно в разделе 3.3). Все это существенно затрудняет возможность наблюдения структур, находящихся за костными тканями.
По этой причине в кардиологии используются сею орные и микроконвексные датчики, малая рабочая поверхность которых позволяет наблюдать сердце через межреберную щель (б). По той же причине трудно получить двухмерное изображение мозга приемлемого качества при наблюдении через кости черепа, и только в неонатологии 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 невозможно, что является серьезным ограничениемдля УЗдиагностики.
Возвращаясь к отражению на границе мягких тканей с различным акустическим сопротивлением, заметим, чго границы неоднородностей располагаются под произвольным углом к направлению распространения ультразвука (совпадающему с осью УЗ луча), не всегда равным 90 . Поэтому основная энергия отраженного сигнала может распространяться не в сторону датчика, что ухудшает возможности наблюдения.
Положение облегчается тем, что границы неоднородностей, как правило, не являются гладкими, и, следовательно, отраженные от них УЗ волны распространяются в различных направлениях, в том числе и в направлении на датчик, что обеспечивает прием эхо-сигналов и получение акустического изображения. Чаще всего неоднородности в мягких тканях имеют сложную форму и различные размерьь причем их ориентация носит случайный характер. УЗ изображения в основном формируются волнами, рассеянными на относительно мелких структурах (3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
