4.4.1.1. Поглощение звука в биологических тканях

На рис. 4.4 представлена схематическая классификация различных методов измерения ультразвуковых потерь. В рамках данной классификации прежде всего следует провести различие между методами, обеспечивающими измерение коэффициента затухания, и

Рис. 4.4. Классификация способов измерения акустических потерь (пояснения в тексте). Данная классификация носит отчасти искусственный характер, поскольку многие методы взаимосвязаны друг с другом.

методами, позволяющими непосредственно измерить коэффициент поглощения. Естественно, что такое разделение имеет смысл в случае неоднородных сред, поскольку для однородных материалов результаты точного измерения затухания дают, по сути дела, численные значения коэффициента поглощения. Очень мало работ посвящено непосредственным измерениям коэффициента поглощения в биологических тканях (в противоположность косвенным оценкам поглощения по результатам измерений затухания и рассеяния звука). Следует также отметить, что во многих ранних работах не проводится четкое различие между понятиями поглощения и затухания. К счастью, в настоящее время это положение меняется, однако иногда еще требуется осторожно подходить к опубликованным данным во избежание недоразумений.

Метод нестационарного нагрева, разработанный Фраем и Фраем [76, 77], Фраем и Данном [75], Данном и др. [53], а также Госсом и др. [89] и основанный на регистрации скорости повышения температуры в локальной области (с помощью термопарного датчика), является примером тех методов, в которых измеряется именно та часть ультразвуковой энергии, которая поглощается средой и необратимо переходит в тепло. Суть его состоит в следующем. Датчик в виде термопарного спая, размеры которого малы по сравнению

с длиной волны, вводят в исследуемый образец, после чего образец подвергают воздействию коротких импульсов плоских ультразвуковых волн заданной частоты. На протяжении нескольких десятых долей секунды от начала воздействия наблюдается быстрое повышение температуры датчика, обусловленное поглощением энергии за счет вязкого относительного движения среды и проволочек, образующих термопару. Этот участок температурной кривой становится более выраженным на низких частотах или при малом поглощении в среде, что ограничивает применимость данного метода в низкочастотной области (наименьшая частота составляет примерно 300 кГц). Дальнейшее повышение температуры в течение примерно одной секунды носит сравнительно линейный характер и обусловлено локальным поглощением звука в образце. Коэффициент поглощения образца определяется по начальному наклону этого линейного участка температурной кривой, если известны такие параметры, как плотность среды, ее удельная теплоемкость при постоянном давлении, а также интенсивность акустического поля. Для оценки реального применяется итерационный метод, согласно которому первая расчетная оценка этого коэффициента, полученная на основе измерения интенсивности падающего поля, используется в качестве коэффициента затухания для определения реального значения интенсивности в точке измерения при известном расстоянии от излучателя до термопарного датчика. Аналогичным образом проводятся последующие более точные оценки При этом сходимость полученного ряда значений нарушается, если полное затухание в среде слишком велико. В результате возможности данного метода становятся ограниченными и на высоких частотах. Этому способствуют также трудности создания широких плоских звуковых пучков и изготовления миниатюрных термопар. В частности, в биологических тканях с помощью термопарного метода можно проводить измерения на частотах, не превышающих Результирующая погрешность измерения величины составляет по оценкам примерно 10—15%.

Помимо возможности прямого измерения коэффициента поглощения данный метод обладает еще теми достоинствами, что измерения могут проводиться по месту (in situ), в тканях живого организма (in vivo), а также в структурах малого размера (так, например, Данн [44] с помощью термопарного метода измерил коэффициент поглощения в спинном мозге мыши). Присутствие газовых пузырьков в образцах биологических тканей является серьезной проблемой при измерении затухания звука, однако такие пузырьки

почти не влияют на результаты термоэлектрических измерений коэффициента поглощения [72].

Если величина очень мала, то для получения заметного приращения температуры приходится использовать ультразвук высокой интенсивности. При этом необходимо позаботиться о том, чтобы исключить возможность возникновения нелинейных эффектов, искажающих результаты измерений (см. разд. 4.3.8). Следует отметить, что термопарные датчики обладают большой инерционностью, поэтому с их помощью невозможно одновременно измерить скорость звука.

Дальнейшее развитие этого метода привело к созданию автоматизированной системы измерений [40] и позволило провести более полный анализ возникающих погрешностей [86].

Недавно Паркер [175], основываясь на применении термопар, предложил новый метод, являющийся альтернативой методу нестационарного нагрева. Он назвал его методом затухания теплового импульса. Вместо ультразвукового импульса большой длительности, Паркер использовал короткий импульс ультразвука длительностью менее 0,1 с. Как и в предыдущем случае, вязкий нагрев в окрестности термопарного спая и нагревание за счет истинного поглощения в ткани происходят одновременно. После прекращения действия ультразвукового импульса тепло будет отводиться из области нагрева за счет теплопроводности среды. При этом на начальном участке температурной кривой, построенной по показаниям термопарного датчика, наблюдается быстрый спад температуры. Он связан с тем, что вязкий нагрев происходит только в малом объеме, непосредственно окружающем термопару. Затем в течение приблизительно 2 с кривая остывания начинает соответствовать реальному уменьшению температуры в окружающей ткани. Аппроксимируя этот участок кривой остывания на начальные моменты времени, Паркер определял полную поглощенную энергию и соответственно коэффициент поглощения. Было показано, что полученные таким способом результаты очень хорошо согласуются с данными измерений, выполненных с помощью метода нестационарного нагрева.