Поглощение и глубина проникновения УЗ

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью, то при распространении УЗ волны происходит её поглощение, то есть по мере удаления от источника её энергия уменьшается.

Преобладающая часть поглощенной тканью энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает необратимые структурные изменения.

Известно, что 2/3 энергии ультразвука поглощается на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний - поглощение при повышении частоты быстро увеличивается. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Следует отметить, что поглощение ультразвука в биологических тканях не подчиняется общим закономерностям для однородных сред. В биологических тканях существует не квадратичная, а линейная зависимость поглощения от частоты. Это объясняется неоднородностью тканей. Неоднородностью биологических тканей обусловлена и разная степень поглощения ультразвука. Например, наименьшее поглощение наблюдается в жировом слое и почти вдвое больше в мышечной ткани. Серое вещество мозга в два раза больше поглощает ультразвук, чем белое. Мало поглощает ультразвук спинномозговая жидкость. Наибольшее поглощение наблюдается в костной ткани.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде.

 

 

Интенсивность УЗ при прохождении через ткани убывает по экспоненциальному закону:

I = I_ое^-кh

 

где I - интенсивность УЗ волны на глубине проникновения h,

I₀ - интенсивность УЗ волны у поверхности вещества,

к - коэффициент поглощения, который зависит от плотности и вязкости среды, а также от частоты УЗ волны.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани.

Коэффициент проникновения

Коэффициент проникновения УЗ волны в другую среду равен отношению интенсивностей:

β = I₂/I₁=1-К_отр.

 

где I₂ - интенсивность преломленной волны, I₁, - интенсивность падающей волны.

Релей показал, что:

 

β = (4С₁ρ₁/С₂ρ₂)/(С₁ρ₁/С₂ρ₂ + 1)2

 

Коэффициент поглощения обратно пропорционален глубине проникновения УЗ волны, на которой ее интенсивность убывает в «е» раз - к ~ 1/h (1/м).

Чем больше частота УЗ волны, тем меньше глубина её проникновения. Так при частоте (800-900)кГц ультразвук проникает на глубину 4-5 сантиметров, а при частоте (1600 - 2600)кГц на 1см.

Структуры, в которых происходит полное затухание УЗ волн, т.е. через которые УЗ не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень (например, кальцинированные структуры сердца).

В медицинских исследованиях поглощение УЗ волн оценивается глубиной полупоглощения. Глубину полупоглощения можно определить, используя закон:

 

I = I₀2^-h/H

 

где Н - глубина полупоглощения, это глубина, на которой интенсивность УЗ волны уменьшается вдвое,

h – глубина проникновения.

 

Например, при частоте 1 МГц, в воде Н = 350 см (к = 0,001), в крови 17 см (к = 0,01).

В приведённой табл. 4 представлены значения коэффициента поглощения k и глубины полупоглощения Н на различных частотах для различных тканей:

 

Таблица 4

Ткань	f (МГц)	k (см-1)	Н (см)
Вода		0,001
	0,004
Кровь		0,01
Плазма крови	0,87	0,02
1,7	0,04	8,7
Хрящ		1,45	0,24
	2,2	0,16
Кожа		0,85	0,41
	1,05	0,33
Жировая ткань	0,8		6,8
Мышечная ткань	0,8		3,6
Кость	0,88	0,71	0,5
2,64	6,3	0,055
4,5	9,2	0,038

Ослабление УЗ в биологических тканях за счет рассеяния

При прохождении УЗ в тканях с его последующим отражением и возвращением в приёмник следует учитывать не только поглощение той или иной тканью, но и рассеяние как на самих тканях, так и на разделяющих их границах. Рассеяние ультразвука – это явление имеет место всегда, когда распространяющийся в среде ультразвук отклоняется по всем направлениям за счет неоднородности среды.

 

Г л а в а 2

Механизм действия ультразвука на вещество и биологические ткани

2.1. Механическое действие

2.2. Тепловое действие

2.3. Химическое действие

2.4. Биологическое действие на клеточном уровне

При распространении УЗ в веществе проявляются различные виды взаимодействия ультразвука с веществом.

При распространении УЗ в реальных средах происходит взаимодействие волны со средой. Среда определяет распространение и ослабление волны. Волна воздействует на саму среду.

Ультразвук, используемый в диагностике при уровнях интенсивности менее 0,1 Вт/см², практически не оказывает вредного воздействия на биологические объекты. Однако при более высоких уровнях для высокочастотного ультразвука в жидких неоднородных средах ультразвук оказывает влияние на биологические среды обусловленное механическим, тепловым и химическим действием.

Большинство первичных физико-химических реакций в живом организме при действии УЗ локальны. Однако эти воздействия могут вызывать реакцию организма в целом.

Рассмотрим механическое, тепловое и химическое действие УЗ на биологические объекты.

Механическое действие

Механический эффект обусловлен самой природой ультразвука, представляющего собой колебательное движение частиц газообразных, жидких и твердых сред, и связан с переменным акустическим давлением во время сжатия и растяжения среды и силами, развивающимися вследствие больших ускорений частиц.

При воздействии УЗ на биологические объекты, частицы среды совершают интенсивные колебательные движения, при этом, например, в жидкостях (мягких тканях) при интенсивности УЗ 1 Вт/см² на частоте 1МГц амплитуда смещений составляет 0,2 мкм, амплитуда колебательной скорости 12см/с.

При малой интенсивности эти колебания обусловливают микромассаж структурных элементов ткани, что способствует улучшению обмена веществ.

Возникающие при этом смещения стенок клеток приближаются к пороговым смещениям, обуславливающим биоэлектрическую активность механорецепторов. На частоте 10 МГц пороговые смещения элементов клеток будут происходить уже при интенсивностях 0,1 Вт/см². Т.о. живая клетка может испытывать значительные воздействия уже при довольно низких интенсивностях высокочастотного УЗ.

Акустические течения, акустические потоки

Распространение ультразвуковых волн большой интенсивности в газах и жидкостях вызывает движение среды, которое называется акустическим течением, рис.6.

 

 

Рис.6 .Акустическое течение при распространении ультразвука

Возникают также акустические потоки (звуковой ветер), скорость которых достигает 10 м/с, которые могут перемешивать облучаемые жидкости, изменяя их физические свойства.

Изучено три типа акустических течений.

Первый тип, это мелкомасштабные течения, возникающие на поверхности раздела фаз в пограничном слое. Они имеют вихреобразный характер.

Второй тип акустических потоков возникает вне пограничного слоя.

Третий тип - это течения направленные от излучателя по направлению ультразвукового луча, при этом создаётся динамическое давление на объекты находящиеся на пути течения.

В плоской волне, в однородных средах, при низких уровнях интенсивности УЗ, перемещения частиц среды ограничиваются колебательными движениями около положения равновесия. Для неоднородных сред, каковыми являются биологические среды, к колебательным движениям добавляются движения поступательные, что вызывает акустические потоки (микропотоки). Чем выше уровни интенсивности УЗ, тем сильнее эти эффекты. Уже при интенсивностях 0,1 - 1 Вт/см² в клетках и межклеточном пространстве начинают возникать сильные микропотоки.

Акустические течения и микропотоки, способны порождать как вне, так и внутри клеток ускорение диффузионных процессов, а также вихревые движения, которые могут вызывать разрыв клеточных мембран, деформацию и перемещения внутриклеточных структур и цитоплазмы.

Деформация среды.

Распространение ультразвуковой волны в среде связано с механическими деформациями среды. Деформации происходят в результате последовательного сгущения и разряжения частиц среды, что создаёт переменное давление в среде. В зависимости от интенсивности ультразвуковой волны, эти деформации могут вызывать либо незначительное изменение структуры, либо ее разрушение.

Кавитация.

В жидких средах, при действии ультразвука, амплитуда переменного давления изменяется в зависимости от плотности среды, скорости распространения ультразвуковых волн, интенсивности и частоты колебания частиц среды. В момент растяжения, при понижении давления, в отдельных участках жидкости происходит нарушение сплошности жидкой среды - жидкость может разорваться, при этом в жидкости могут образоваться микрополости (каверны), которые в некоторой степени заполняются парами жидкости или растворенными в ней газами. Последующее сжатие приводит к захлопыванию образовавшихся пузырьков. Перед захлопыванием в них создается большое давление. Поэтому в момент исчезновения пузырьков происходят мощные гидравлические удары, и возникает ударная волна с большими переменными давлениями, обладающая большой разрушительной силой. Это явление называется кавитацией.

Образование и последующее распространение ударных волн, могут приводить к разрывам и повреждениям структуры биологических тканей.

Для возникновения кавитации необходимо достижение определенного значения интенсивности ультразвука (порогового значения). Величина порогового значения зависит от частоты ультразвука и сил сцепления в жидкости. Растяжение, которое могут выдержать жидкости, зависит от примесей в них (наличие
газов и газовых пузырьков). Кавитация в тканях под действием нефокусированного УЗ может наблюдаться при интенсивностях более 0,6 Вт/см² на частоте 1МГц. При образовании каверн средняя плотность жидкости понижается, а скорость колебательного движения частиц среды увеличивается. Так как для образования полостей требуется некоторое время, то при очень высоких частотах (свыше 5 МГц) кавитация не наблюдается.

Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при ультразвуковом воздействии, существуют короткое время. Пониженное давление в каждой точке среды существует лишь на протяжении полупериода колебаний, затем сменяется повышенным давлением, что приводит к быстрому захлопыванию микрополостей. В результате увеличения колебательного движения частиц среды, а также захлопывания каверн, в небольших объемах выделяется большая тепловая энергия. Поглощение энергии ультразвука вызывает повышение температуры среды.

Кавитация, также, сопровождается образованием химически активных частиц, которые вступают в реакцию с биомакромолекулами, существенно меняя их свойства.

Кавитация может сопровождаться свечением – электромагнитным излучением возбужденных молекул в фазе образования ударной волны.

Эффект кавитации используется, в частности, в ультразвуковом скальпеле.

Действие на мембраны

Механические воздействия УЗ волн на биологические системы могут изменять вязкость цитоплазмы, нарушать градиенты концентрации различных веществ в непосредственной близости от клеточных мембран и даже нарушить целостность клеточных мембран. Во всех случаях в результате воздействия механических возмущений на клетку возникает изменение условий транспортировки молекул и ионов через клеточную мембрану.

Ультразвуковой фонтан

Возникающее при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему ее внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения. Оно служит причиной того что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом может возникнуть фонтанирование жидкости (рис.7) и распыление ее с образованием весьма мелкодисперсного тумана.

 

 

Рис.7. Фонтан жидкости при падении ультразвукового пучка.

Этот механизм используется для создания аэрозолей лекарственных веществ.

Тепловое действие

Тепловой эффект действия ультразвука зависит от его интенсивности и длительности.

Прохождение ультразвука в средах сопровождается их нагреванием вследствие превращения механической энергии в тепловую в результате поглощения ультразвука. Кроме того, образование тепла обусловлено физическим явлением, называемым «эффектом пограничных поверхностей». Сущность его заключается в усилении действия ультразвука на границе раздела двух сред. Усиление теплового эффекта связано с отражением колебаний от пограничных поверхностей: чем больше отражение, тем больше выражено действие. Это наглядно демонстрирует следующие опыты. Масло нагревали в ультразвуковом оле, далее в масло погружали металлические шарики, температура масла после этого повышалась. При уменьшении размера шариков и увеличении их числа, при неизменном их общем весе, температура еще больше повышалась за счет увеличения общей поверхности шариков. Опыт показывает, что с увеличением поверхности, отражающей колебания, тепловое действие усиливается.

При плотном прилегании источника ультразвука к коже пациента не наблюдается неприятных ощущений. Но если между кожей и головкой излучателя имеется небольшая прослойка воздуха, появляется ощущение жжения. Усиление теплового эффекта обусловлено интенсивным отражением ультразвуковых колебаний на границе кожа – воздух вследствие большой разницы в их акустических сопротивлениях. Так же при этом может иметь место явление интерференции падающих и отраженных ультразвуковых волн.

Тепловой эффект проявляется и при распространении ультразвука в воздухе. Так, при интенсивности 160? Вт/м² (частота 20 кГц) вата воспламенялась через 6 секунд; стальная стружка нагревалась докрасна за 1 минуту

При распространении УЗ в биологических средах происходит поглощение энергии волны и переход её в теплоту. При этом интенсивность УЗ ослабевает с расстоянием по экспоненциальному закону. Величина поглощения в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костной ткани. При частоте 1МГц на расстоянии 1 см уровень интенсивности УЗ энергии уменьшается в мягких тканях, мышцах и костях соответственно на 1дБ, 2,3дБ и 13дБ. С ростом частоты поглощение резко возрастает. Так на частоте 3 МГц в мышцах и костях уменьшение уровня интенсивности составляет, соответственно, 5дБ и 55дБ.

Повышение температуры среды будет определяться интенсивностью, продолжительностью воздействия, частотой ультразвука, режимом воздействия (непрерывный, импульсный), свойствами среды.

Тепло, необходимое для нагревания мышечной ткани на 5-7°С при интенсивности 1 Вт/см² и частоте 1МГц, может в зависимости от условий теплообмена и свойств ткани выделятся за 0,5-5 минут. Характерно, что образование тепла происходит не равномерно по всей толщине ткани, а наиболее заметно на границах сред с различными волновыми сопротивлениями. Локальный нагрев тканей на единицы градусов, используется в УЗ физиотерапии.

Нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, приводит к перегреву тканей и их гибели.

В хирургии УЗ воздействие на биоткань приводит к её разрушению, что достигается фокусировкой мощных УЗ пучков, обеспечивающей получение интенсивностей более 1 кВт/см². При этом за несколько секунд в объеме ткани 1-2 мм³ температура повышается до 100°С, что и приводит к её разрушению.

 

Химическое действие

При распространении УЗ могут образовываться ионы и радикалы. Один из механизмов этого процесса следующий.

При образовании кавитационных полостей на пограничных поверхностях возможно возникновение электрических зарядов. При захлопывании каверн молекулы среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное трение. В результате всего этого молекул среды, они могут возбуждаться и ионизироваться, так как возможен разрыв молекулярных связей. Это приводит также к образованию ионов и радикалов. В частности, ионизация молекул воды приводит к образованию свободных гидроксильных радикалов и атомарного водорода:

Н₂0 ® НО + Н.

В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул воды крайне активны. Именно их большой активностью обусловлен ряд общебиологических эффектов, проявляющихся под влиянием ультразвука: окисляющее действие ультразвука, распад белков, деполимеризация белковых соединений, инактивация ферментов, ускорение химических реакций, изменение рН среды, расщепление высокомолекулярных соединений.

Все возникшие реакционноспособные вещества могут вступать во взаимодействие с различными молекулами, то есть оказывать химическое действие на молекулярном уровне.