Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы (1035679), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны ультразвука или меньше ее (в большинстве случаев в биологических тканях это условие имеет место), то взаимодействие ультразвука со средой характеризуется сложными эффектами. Основными из них являются дифраяция и интерференция. Напомним, что дифракцией называется явление огибания волнами различных препятствий (или в более широком смысле любое отклонение при распространении волн от законов геометрической оптики). Интерференцией называется явление сложения волн, в данном случае сложения УЗ волн, переотраженных различными неоднородностями.
Несмотря на всю сложность процессов, влияющих на формирование акустического изображения, на его основе можно получить важную диагностическую информацию, которая содержится в амплитудах (яркости) отдельных фрагментов изображения и во взаимном их расположении на двухмерной картине. Очень заманчиво было бы на основе акустического изображения оценивать пространственные распределения скорости звука, плотности, коэффициента отражения и, может быть, других Физических параметров тканей. Интерес именно к этим Физическим характеристикам понятен — их численные значения зачастую непосредственно зависят от состояния ткани, в частности от наличия патологии.
Оценив величины физических параметров для отдельных структур, мы могли бы получить дополнительную диагностическую информацию о тканях. К сожалению, в силу сложности и недостаточной к настоящему времени изученности процесса формирования акустического изображения задача реконструкции (оценки) физических параметров сегодня не решена. 1.5. Затухание ультразвука в биологическихтканях 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-эа расходимости УЗ луча, т.е.
увеличения площади сечения луча с глубиной. Затухание из-за расходи- 33 Ультразвуковые диагностические приборы Краткие сведения по физике ультразвука Р=р,е-, Твблицв 3 а = — (о— Ультразвуковые дивгностичесние приборы мости 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 экопоненциальному закону: а(е х — расстояние„ пройденное УЗ волной, р, — начальная амплитуда давления (при х = О), р — амплитуда давления на расстоянии х,а — коэффициент затухания. Вобщемслучаеа=а +а., гдеа,и а„— коэффициенты затухания, соответствующие рассеянию и поглощению ультразвука. Раздельно измерить каждый из коэффициентов довольно трудно. Поэтому обычно анализируется суммарный коэффициент затухания а. 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: Удобство логарифмической формы выражения коэффициента состоит в том, что степень затухания в децибелах на разных глубинах легко определяется умножением коэффициента а и величины х (в сантиметрах). Например, если в какой-либо среде коэффициент а = 1 дБ/см на частоте 1 МГц, то на различных расстоянияххзатухание характеризуется значениями, приведенными в табл. 3.
На рис. 9 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. 9 представлены примерные зависимости затухания от частоты, иллюстрирующие основные закономерности (3]. Несмотря на то, что имеются различия в величине затухания между тканями, можно построить некоторую среднюю зависимость затухания от частоты для мягких тканей. На рис.
8 зта 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. Если частоту обозначить г, а расстояние х, то среднее затухание ультразвука К в децибелах определяет- Глава 1 Коэффициент затухания, дБ/см 100 10 1,0 0,1 0,01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 Частота,МГц Рис. 9. Зависимость затухания улырззвука ог частоты в биологических ткани»: 1 — легкие, 2- кости черепа, 3 — кожа, 4 — мышца, б — мозг взрослого, б — мозг ребенка, г - печень, 8- «розге 9- вода, Ю вЂ” среднее значение для мягких тканей. Я4 Ультразвуковые диагностические приборы ся простым соотношением К = 0,7 дБ/(см МГц) И, в которое надо подставить х в см и г в МГц.
Так, например, на п1убине 10 см при частоте /= 35 МГц затухание К = 25 дБ (3,2 х 10з раз по мощности), при частоте / = 5 МГц К = 35 дБ (3,2 х 10' раз по мощности), а при / = 7,5 МГц К = 55 дБ (3,2 х 10' 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 вследствие частотнозаяисимого 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 / = 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 /= 5 МГц на той же глубине наблюдение очень слабых эхо-сигналов в ряде случаев может быть затруднено. На частоте г = 7,5 МГц нередко становится невозможно наблюдать даже сильные отражения — они неразличимы на фоне случайных шумов и помех. Поэтому Краткие сведения по физике ультразвука Ультразвуковые диагностические приборы Рис. 10. Увеличение периода колебаний и длительности импульса вследствие частотнозввисимого затухания. а — исходный импульс, б — тот же импульс тюсле прохождения среды с затуханиеи.
предельная глубина наблюдения для частоты 7,5 МГц составляет 70 — 90 мм. Возвращаясь к рис. 9, отметим, что костные ткани и ткани легкого имеот очень высокий уровень затухания — даже на самой низкой из обычно используемых в диагностике частот 1= 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. Позтому в моче и содержимом некоторых видов кист затухание также оченьмало. Наблюдениечерез 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 от границкисты(см.
раздел 3.6). Малое затухание в воде дает вазможность применять датчики с так называемой водной насадкой (чта1ег Ьац), которые позволяют исключить зону плохого наблюдения (мертвую зону) при исследовании 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. 10) (3). На рис. 11 показано изменение спектра акустического импульсного Рис. 11. Изменение спектра акустического импульсного сигнала с увеличением глубины вследствие частотнозависимого характера затухания(х- глубина). Пунктирной линией показано изменение централь- 6 1,МГц ной частоты. Глава 1 26 Ультразвуковые диагностические приборы сигнала в зависимости от пути прохождения в мягких биологических тканях.
Видно, что если на самых малых глубинак спектр изменяется незначительно, то с увеличением глубины кривая, описывающая форму спектра, заметно сдвигается влево. Если центральная частота излучаемого сигнала была равна 3,6 МГц, то на глубине 6 см она равна 3,1 МГц, а на глубине 12 см она близка к 2,8 МГц. Смещение спектра зхо-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 зхо-сигналов в зависимости от глубины или, что то же самое, от времени прихода зхо-сигналов. Список литературы 1. Ультразвук: Маленышя энциклопедия.
Мл Советская энциклопедия, 1979. 400 с. 2. Домаркас В.И., Пилецквс Э.Л. Ультразвуковая экосколия. лл Машиностроение, 1988. 276 с. 3. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. с англ. / Под ред. хилла к. мл мир, 1989. 568 с. 4. Абкапсез !л цзгазоцпб 1еслпк!цез апб !пз1пзглеп1зт!оп/Еб. Ьуууе1!з РН.Т.
Н.у.; Еб!пьогр; 1: С!вгсН!1 ЬвпрзГопе, 1993. 192 р. 5. Кгегпвац Еуу. Оорр1ег цхгазоцпб: рппс1р1ез апб !пз!гигпеп1з. 2пб еб. РЫ!абе!РЫа; 1.л УКВ. Язцпбегз Со., 1995. 373 р. 6. Ре!9епьангп н. Есласагб!оогарьу. 51Ь еб. Ва1впопк РН1абе1рыа; 1., егсл Уй!Пап!з 8 961млз, !994. 695 р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
