Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Эти разрывы неустойчивы, они существуют недолго и быстро захлопываются. При этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит сильный разогрев вещества, а также ионизация и диссоциация молекул, что отрицательно сказывается на функционировании биотканей. При распространении звуковых волн так же, как и при распространении электромагнитных, наблюдается эффект Доплера, т. е. изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приемником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя: с с„ + р'= ч, с+ си где с — скорость звука; с„— скорость приемника звука; с — скои рость источника звука; «верхние» знаки (плюс и минус) относятся к сближению источника и приемника волн, «нижние» (минус и плюс) — к их удалению.
Эффект Доплера можно использовать для определения скорости движения тела со в среде. Пусть генератор излучает ультразвук с частотой рг, тогда приемник воспринимает частоту с+со пр г с со Доплеровский сдвиг частоты (разница частот) при этом состав- ляет 2со Ул — »пр Уг Рг ° о В медицинских приложениях скорость ультразвука значительно больше скорости объекта (с » со), тогда 2со ~д с В любой среде звуковая волна будет затухать. Ее интенсивность при этом будет падать по экспоненциальному закону в зависимости от пройденного расстояния х: ~(х) = ~се "" 222 где 1з — коэффициент затухания.
Затухание обусловлено как поглощением, так и рассеянием ультразвука: р = рп + рр„п. Кроме того, существуют еше дополнительные потери, связанные с дифракцией волн, создаваемых источником звука. Дифракционныс явления существенно зависят от соотношения между длиной волны и размерами тела, с которым взаимодействует волна. Так, если частота и = 1 МГц, то длина волны Х = 1,4 мм. В этом случае тело размером 1 м даст отчетливую «тень», а тело размером 1 мм даст днфракционную картину, сходную с дифракцией Френеля в оптике. Заметим, однако, что затухание ультразвука увеличивается с ростом частоты, так что аналогия с оптикой не является полной.
Поглощение ультразвука приводит к необратимому преобразованию энергии волны в теплоту и к увеличению температуры среды, что используют при ультразвуковой гипертермии опухолей. Предполагается, что основной вклад в поглощение ультразвука в тканях (за исключением костной и легочной) вносит молекулярная релаксация, суть которой состоит в том, что связанные с волной флуктуации температуры или давления вызывают обратимые периодические изменения в конфигурации молекул.
Это приводит к частотной зависимости поглощения, которая близка к линейной или степенной со степенью чуть больше единицы, Более высокое содержание протеина (особенно структурных протеинов типа коллагена) или более низкое содержание воды в биотканях приводят к большему поглощению ульгразвука. УЗ-волны в биообъектах могут также рассеиваться. В зависимости от размера рассеивающей структуры а могут наблюдаться различные типы рассеяния. Опишем их. а» Х вЂ” область геометрического рассеяния. При описании явлений можно пользоваться формулами, аналогичными соотношениям для отражения и преломления лучей в геометрической оптике.
Такое «рассеяние» наблюдается на диафрагме, крупных сосудах, границах между костной и мягкой тканями, кистах и т, д. Обнаружено, что диафрагма ведет себя подобно зеркалу, отражая падающие на нее волны. Другие структуры приводят к рефракции звуковых волн. Границы раздела между средами с наибольшим различием скорости звука характеризуются наиболее сильным отражением. Наличие костей или газонаполненных органов сильно мешает визуализации структур, расположенных за ними. Однако изменение скорости не всегда сопровождается изменениями звукового сопротивления.
223 а — 2. — область стохастического рассеяния, описывается дифракционной теорией. Такое рассеяние преобладает во внутренних областях органов и оказывает влияние на отражение УЗ-волн от шероховатых поверхностей. а « 2. — область рэлеевского рассеяния.
Наблюдается преимущественно на красных кровяных тельцах и клетках мягких тканей. Интенсивность такого рассеяния очень слаба и пропорциональна четвертой степени частоты волн. Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука, вызывают в биообьектах следующие основные эффекты: ° микровибрации на клеточном и субклеточном уровне; ° разрушение биомакромолекул; ° перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран; ° разрушение клеток и микроорганизмов. Другим типом звуковых волн является инфразвук. Источниками инфразвука могут быть как естественные объекты (море, землетрясение, грозовые разряды и др.), так и искусственные (взрывы, автомашины, станки и др.). Инфразвук часто сопровождается слышимым звуком (например, в автомобиле).
Для инфразвука характерно слабое поглощение различными средами, поэтому он распространяется на значительные расстояния. Из-за большой длины волны инфразвук лучше дифрагирует и проникает в помешения, обходя преграды, чем слышимый звук и ультразвук. 5.2. ЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В КЛИНИКЕ Один из самых древних методов звуковых исследований в медицине — аускультация (выслушивание) — известен со 11 в. до н. э. Для аускультацни используют стетоскоп или фонендоскоп. Последний состоит нз полой капсулы с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного, от которой идут резиновые трубки к уху врача.
В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание н улучшается аускультацня. Фонендоскоп используют для аускультации легких (дыхательные шумы, хрипы, характерные для заболеваний); для аускультацнн сердечной деятельности (изменение тонов сердца и появление шумов); для установления наличия перистальтики желудка и кишечника; для прослушивания сердцебиения плода. 224 Для одновременного выслушивания больного несколькими людьми используют систему, в которую входит микрофон, усилитель н громкоговоритель или несколько телефонов. Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется метод, близкий к аускультации и называемый фонокардиографией, который заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации.
Еще один звуковой метод — перкуссия — выслушивание звучания отдельных частей тела при их простукивании, Тело человека можно представить как совокупность газонаполненных (легкие), жидких (внутренние органы) н твердых (кость) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимыми. Усиливаемые тоны соответствуют размеру и положению полости. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и топографию внутренних органов (26).
5.3. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА, ТЕРАПИЯ И ХИРУРГИЯ В отличие от рентгеновских лучей ультразвуковые волны преломляются и отражаются на границах раздела сред с различным акустическим показателем преломления. Однако при определенных размерах объекта в теле человека, сравнимых с длиной волны УЗ-излучения, следует применять законы волновой оптики, т. е. учитывать явления дифракции и интерференции звуковых волн. Структура формируемого изображения в значительной степени определяется интерференционными эффектами, так как УЗ-волны когерентнь|, а УЗ-приемники чувствительны к амплитуде, а не к интенсивности излучения [161. В зависимости от частоты ультразвука применяются различные методы визуализации: ° до 300 кГц — биоэхолокация; ° от 0,8 до 15 МГц — УЗ-диагностика. В этом же диапазоне частот проводится УЗ-терапия; ° от 12 МГц до 1 ГГц и выше — акустическая микроскопия.
Разрешающую способность эхо-нмпульсных УЗ-систем внзуаном н попели зации принято рассматривать отдельно в продольно ха из ется речном направлениях. Продольное разрешение характер у половиной длительности огибающеи импульса, изм Р ме ениой на не- 225 котором определенном уровне ниже максимума и умноженной на скорость звука; поперечное разрешение характеризуется полной шириной пучка на некотором определенном уровне (обычно 0,5) ниже максимума импульса, В биотканях возникает дополнительная расходимость и отклонение акустического пучка, связанная с рассеянием волн. Основная же причина искажения акустического сигнала — частотная зависимость затухания, приводящая к уширению пучка и увеличению длительности импульса.
Например, при использовании УЗ-преобразователя с частотой 5 МГц, шириной полосы по уровню б дБ от 2 до 6 МГц, фокусным расстоянием 10 см и апертурой 2 см полная ширина пучка на половине высоты составляет 3 мм, а после прохождения 5 см в тканях молочной железы — 7 мм. УЗ-преобразователь — это наиболее важный элемент в ультразвуковых системах формирования изображений. Он преобразует поступающие на него электрические сигналы в акустические волны, а также принимает отраженные акустические волны и преобразует обратно в электрические сигналы.
Волновое сопротивление биосред в 3 000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому, для того чтобы ультразвук проник внутрь тела человека (т. е, чтобы исключить воздушный слой), поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла. УЗ Наибольшее распространение полу- 2 чили электромеханические излучатели, 3 основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта (деформации кристаллического диэлектрика при на- 1 ложении электрического поля) (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
