ГЛАВА 4. Затухание и поглощение ультразвука
Дж. Бэмбер
4.1. Введение
Как уже отмечалось в гл. 1, характер распространения ультразвуковой волны определяется инерционными и упругими свойствами среды, а также действующими в ней механизмами потерь. Плотность и сжимаемость среды определяют скорость звука, пространственные изменения которой приводят к рефракции акустических волн. Пространственные флуктуации либо плотности, либо сжимаемости (совместно эти величины определяют удельный акустический импеданс), либо поглощения звука вызывают рассеяние или отражение волн. Затухание, т. е. полные потери акустической энергии в биологической ткани, определяется суммарным действием рефракции, отражения, рассеяния и поглощения ультразвука.
В практических приложениях данные об изменении скорости, акустического импеданса, поглощения, рассеяния и затухания в объеме ткани используются для получения информации о ее структуре. В частности, все эти параметры вносят вклад в сложный процесс формирования эхо-импульсных изображений и влияют на внешний вид этих изображений. Отсюда следует, что знание этих параметров, а также их зависимости от частоты, амплитуды, температуры, возраста пациента, той или иной патологии необходимо для анализа возможностей и наиболее эффективного использования существующей и разрабатываемой ультразвуковой диагностической аппаратуры. Коэффициенты затухания и поглощения определяют также величину акустической мощности, достигшей заданного участка ткани и выделившейся в виде тепла. Другими словами, эти параметры играют важную роль при анализе характера и эффективности биологического действия ультразвука, о чем пойдет речь в гл. 12—14.
Затухание звуковой волны за счет действия любого из указанных выше механизмов потерь приводит к появлению в уравнении (1.33) из гл. 1 дополнительного постоянного множителя а, приведенного к единичной длине пути. В результате для плоской волны,
распространяющейся в положительном направлении оси х, можно записать
В реальных ситуациях редко приходится иметь дело с идеальными плоскими волнами, поэтому помимо указанных механизмов потерь почти всегда имеют место дополнительные потери (или приращения) интенсивности звука, связанные с перераспределением энергии в дифракционном поле источника (см. гл. 1 и 2). Потери акустической энергии, обусловленные дифракцией и называемые дифракционными потерями, могут приводить к погрешности результатов измерения затухания или рассеяния в биологической ткани. Кроме того, связанные с дифракцией изменения фазовых соотношений также приводят к погрешности при измерениях скорости звука. При обработке экспериментальных данных можно учесть влияние этих погрешностей на результаты измерений, вводя так называемые дифракционные поправки.
Если отражение и рефракцию в объеме среды рассматривать как частные случаи более общего явления рассеяния, то можно отметить, что теория распространения акустических волн в биологических средах развивалась по двум достаточно самостоятельным направлениям. С одной стороны, исследовались поглощение и дисперсия акустических волн, с другой — их рассеяние. Специфические особенности теории рассеяния будут рассмотрены в гл. 6, хотя, как будет показано в дальнейшем (см. разд. 4.3.7), не всегда достаточно просто провести различие между явлениями рассеяния и поглощения. В данной главе представлен подробный анализ явлений затухания, поглощения и дисперсии звука, а также рассмотрены методы измерения затухания. Гл. 5 посвящена методам измерения скорости звука.
