4.4.2.5. Влияние условий измерений

Как было ранее показано, для обеспечения достаточной точности измерений коэффициента затухания ультразвука обычно приходится работать на образцах удаленной ткани и лишь в редких случаях оказываются возможны измерения in vivo. Аналогичная ситуация возникает и при измерениях скорости или рассеяния звука. Основная проблема заключается в том, каким образом следует обработать образцы биологических тканей, чтобы по возможности облегчить проведение измерений и в то же время не исказить характеристики живых тканей и гарантировать, что результаты совпадут с результатами измерений, выполненных через какой-то период времени и, возможно, на другой аппаратуре и других образцах. Как показано в табл. 4.3, все эти проблемы можно разбить на две основные группы вопросов, которые мы теперь и рассмотрим.

До последнего времени существовало лишь несколько работ, результаты которых можно было бы использовать для получения ответов на поставленные вопросы, а в целом наши знания в этой области еще очень скудны. Как отмечает Бэмбер [8], требуется

Таблица 4.3

очень продуманно подходить к вопросам подготовки образцов биологических тканей к измерениям, выбора образцов и конфигурации измерительной схемы, а также контроля за условиями измерений. Отсутствие специальных мер предосторожности будет приводить к большому расхождению значений а, измеренных как на одном образце, так и на разных образцах. Это, в частности, справедливо для образцов печени и жировой ткани, разброс результатов измерения на которых может достигать нескольких сотен процентов на фиксированной частоте. Большое расхождение данных, опубликованных в литературе для того ли иного органа, может объясняться влиянием какого-либо одного или всех факторов, перечисленных в группе А табл. 4.3 [87].

А. Старение образцов. На взятых из ряда органов образцах, хранившихся при комнатной температуре, показано [12], что процессы автолиза, идущие в образцах тканей по крайней мере пять дней после того, как их вырезали из органа, незначительно влияют на величину затухания ультразвука, если все образующиеся газы удаляют. Временные изменения за счет автолиза (а именно уменьшение коэффициента затухания а со временем, но не более чем на 15% за 30 ч) были малы по сравнению с большим разбросом результатов различных измерений, о которых упоминалось ранее. В то же время Фриззелл и др. [72], а также Бэмбер и др. [12] отмечают заметное влияние газов, выделяющихся при распаде биологических тканей. Влиянию неудаленных газов можно приписать рост а в тканях селезенки коровы [39] и миокарда собаки [169], который наблюдался с течением времени после их вырезания. В миокарде собаки спустя 4 ч после смерти животного затухание возрастало в среднем на 20%, если образцы ткани хранились при температуре 35 °С. Если же температура хранения была равна 19,5 °С, то каких-либо существенных изменений затухания не отмечалось. Сообщалось, что при температуре хранения 4 °С старение образца ткани человеческого мозга вызывало уменьшение коэффициента затухания а. приблизительно на 21% при повторении измерений через день после вырезания образца [118]. В течение последующих четырех дней этот параметр больше не изменялся. Согласно работе [12], затухание ультразвука в ткани мозга коровы через два дня после приготовления образца уменьшалось всего на 8%. При этом температура хранения составляла 20 °С.

На образцах тканей человеческого мозга [118] и миокарда коровы [193] было показано, что старение образцов влияет на скорость звука весьма незначительно. За 5 - 6 дней наблюдалось относительное уменьшение скорости звука всего на 1%. В отличие от скорости звука сечение обратного рассеяния с течением времени, прошедшего после смерти, может существенно уменьшаться, если образцы хранятся при температуре 20 °С [12]. Однако при температуре хранения 4 °С в образцах ткани миокарда коровы этот параметр практически не менялся в течение шести дней [193].

Б. Влияние газовых пузырьков. Вклад газовых пузырьков в коэффициент затухания печени рассчитывался для различных частот на основе уравнения (4.32) [15]. Под действием этого механизма затухания в образцах, наполненных газом, должно отмечаться избыточное затухание звука, причем в области низких частот

коэффициент затухания а. почти не должен зависеть от частоты. Из анализа опубликованных данных следует, что эти теоретические предсказания выполняются и что результаты измерений хорошо согласуются друг с другом независимо от метода измерений. Следует отметить, что методы местной откачки и ручной пальпации, которые часто упоминаются в литературе, позволяют в лучшем случае лишь частично удалить из образцов имеющийся в них газ. Охлаждение ткани может оказаться в этом плане более эффективным [15, 72], поскольку при понижении температуры возрастает растворимость газов в воде и после повторного повышения температуры образцов исследователь будет располагать определенным временем для проведения измерений до того момента, когда газы вновь начнут выделяться из раствора. Аналогичная идея лежит в основе и другого метода, заключающегося в повышении статического давления в окружающей образец среде. Фриззелл [72] и Паркер [175] с успехом применили этот метод, причем Фриззелл выдерживал исследуемые образцы под давлением 33 бар в течение 90 мин, а Паркер воздействовал давлением 27 бар в течение 30 мин и помещал образцы в герметически закрытый полиэтиленовый контейнер, чтобы предотвратить возможность растворения газов, находящихся под избыточным давлением.

Следует отметить, что для некоторых тканей проблема, связанная с образованием газов, может быть не столь серьезной, как для печени [12]. Тем не менее при подготовке свежевырезанных образцов к измерениям всегда необходимо учитывать возможный вклад газовых пузырьков.

В. Условия консервации. По всей видимости, среда, в которой хранятся образцы биологических тканей и проводятся измерения, влияет на результаты измерений. Фриззелл и др. [72] обнаружили, что при хранении образцов печени и проведении измерений в воде эти образцы неизменно характеризовались более низкими значениями коэффициентов затухания по сравнению с образцами, хранящимися и исследуемыми в физиологическом растворе. Это различие составляло 6— 12%, хотя не исключено, что при использовании физиологического раствора в исследуемых образцах содержалось большее количество газов.

Г. Замораживание образцов. Важно знать, будут ли акустические свойства биологических тканей сохраняться при их замораживании. Кросби и Маккэй [39] зафиксировали существенное возрастание коэффициента затухания мягких тканей непосредственно в процессе их

замораживания. Майлз и Каттинг [148] нашли, что в случае мышечной ткани коровы между скоростью звука и относительным содержанием незамерзшей воды в образцах существует тесная взаимосвязь. Фриз и Макоу [70] показали, что коэффициенты затухания и сечения обратного рассеяния в тканях млекопитающих (коровы) и рыб в свежевырезанных образцах тканей и образцах, которых подвергались заморозке с последующим размораживанием, значительно различаются. Рост затухания и обратного рассеяния после размораживания связывался с влиянием небольших полостей, образуемых кристаллами льда и растворенным воздухом, выделившимся из раствора в процессе замораживания. Это полностью согласуется с данными Фриззелла и др. [72] для печени. Эти авторы также показали, что дегазация размороженных образцов приводит к снижению коэффициента затухания до значений, близких к измеренным с помощью термоэлектрического метода нестационарного нагрева. В свою очередь результаты термоэлектрических измерений практически совпадали с результатами измерений на образцах свежевырезанной ткани. В работе [68], однако, отмечается, что на одном из образцов ткани молочной железы процесс замораживания — оттаяивания приводил к некоторому уменьшению (на 4%) коэффициента затухания. При этом изменений скорости звука не обнаружено.

Д. Фиксация образцов. Химическая фиксация широко применялась в течение многих лет для сохранения свойств образцов биологических тканей в процессе их гистологического и анатомического исследования. Для этих целей использовались самые различные химические соединения, причем наиболее распространенное из них — формалин — применялся многими исследователями и для консервации образцов, предназначенных для акустических измерений. И только недавно анализ влияния фиксации образцов на их акустические характеристики стал предметом специальных исследований. Большая часть известных фактических данных по этому вопросу собрана в работе Бэмбера и др. [13], посвященной изучению действия различных фиксирующих веществ. Было отмечено существенное различие в действии того или иногс фиксирующего раствора на биологическую ткань. В частности, оказалось, что фиксация в формалине действительно позволяет в определенной мере сохранить акустические характеристики некоторых тканей, однако в целом наблюдались заметные изменения, вызванные процессом фиксации. Эти изменения сводились к следующему. Во-первых, наблюдался

рост коэффициента затухания в среднем на 10% на частоте 1 МГц и на 50% на частоте 7 МГц. Во-вторых, скорость звука уменьшалась в среднем примерно на 1,5% и, в-третьих, коэффициент обратного рассеяния спадал в среднем на 15% на частоте 1 МГц и на 45% на частоте 4 МГц. Эти результаты в отношении затухания и скорости звука согласуются с более свежими данными измерений на человеческом мозге [118]. В целом после фиксации в формалине образцы тканей характеризовались меньшими пространственными вариациями по сравнению с образцами свежеудаленных тканей. Повышение жесткости за счет фиксации обеспечивало возможность изготовления образцов с более равномерной толщиной. Как показали результаты измерений, выполненных Бэмбером и Хиллом [10], в интервале температур от 5 до 40 °С температурные зависимости коэффициента затухания а для свежевырезанных и фиксированных тканей имели аналогичный характер. С другой стороны, заметные изменения акустических характеристик после фиксации в формалине отмечались у тканей с анизотропными свойствами. В частности, фиксация вызывала возрастание а на 30% в скелетных мышцах коровы при измерении затухания акустической волны, распространяющейся перпендикулярно мышечным волокнам. Если же волокна были ориентированы параллельно направлению распространения звука, фиксация не приводила к каким-либо заметным изменениям затухания [163].

Е. Влияние температуры и давления. Влияние температуры и давления на надежность и точность измерений затухания звука рассматривалось в разд. 4.4.2.2. Вообще говоря, небольшие изменения температуры не влекут за собой каких-либо серьезных проблем, однако следует отметить, что расхождения опубликованных данных по акустическим свойствам конкретных тканей (в частности, жировой ткани) в определенной степени могут объясняться существенным различием тех температур, при которых проводились измерения [10].

Ж. Изменчивость, присущая биологическим тканям. Немного существует работ, в которых исследуются статистические вариации акустических параметров различных органов и тканей, «нормальных» во всех отношениях. Эти вариации возникают в зависимости от биологического вида, пола, расы, продолжительности жизни и т. д. Известно, например, что с возрастом изменяется содержание коллагена в сердце и печени [61], а также содержание воды в мозге [4]. Последнее является, по-видимому, причиной того, что

затухание звука в мозге ребенка примерно в три раза меньше затухания в мозге взрослого человека [118]. Установлено также, что скорость звука в молочной железе уменьшается с возрастом (см. разд. 5.3.3). Не исключено, что вариации акустических параметров будут наблюдаться у образцов, извлеченных из различных участков идентичных тканей или органов, или ориентированных различным образом. В то же время измерения на печени и сухожилиях [90] показывают, что, по всей видимости, коэффициент поглощения звука, по крайней мере для указанных тканей, слабо зависит от биологического вида.

3. Изменения после смерти. Рассмотренные выше проблемы весьма далеки от полного решения, однако еще меньше мы можем сказать в ответ на второй важный вопрос из табл. 4.3, касающийся взаимосвязи акустических параметров тканей в прижизненном состоянии и после смерти. Из-за почти полного отсутствия информации вопросы, указанные в группе Б табл. 4.3, являются весьма дискуссионными и нуждаются в уточнении по мере появления новых фактических данных. По ряду причин прекращение кровотока может сделать исследуемую ткань непригодной для определенных измерений [136], хотя в работах [45, 187] не было найдено каких-либо существенных различий в скорости звука и затухании между живой тканью и тканью после смерти. В работе [98] было высказано предположение, что различие в кровеносных системах серого и белого вещества мозга, а также пульсации живого мозга увеличивают рассогласование акустических импедансов этих тканей. В результате границы между серым и белым веществом живого мозга становятся более заметными на акустическом эхо-импульсном изображении по сравнению со случаем удаленного мозга, хотя последний фиксировался в формалине. Можно предположить, что наблюдаемые различия между живыми и удаленными тканями в значительной мере будут объясняться температурной зависимостью акустических параметров [10, 79, 118], если измерения in vitro не проводятся при естественной температуре тела. Однако в работе [208] было обнаружено, что коэффициент затухания на частоте 97 МГц в мозге собаки возрастал на 25% после ее внезапной смерти. Очевидно, что такое изменение затухания нельзя объяснить только на основе температурных различий. С другой стороны, авторы работы [149] показали, что значения скорости звука в конечностях живых животных (эти конечности почти целиком состоят из подкожного жира и мышечной ткани) лежат между значениями скорости звука, измеренными при температуре тела в удаленных образцах жировой и

мышечной ткани. В работе [72] с помощью термоэлектрического метода нестационарного нагрева проводились сравнительные измерения коэффициента поглощения звука в печени мыши in vivo и непосредственно после смерти животных. Статистическая обработка полученных результатов показала, что никаких заметных различий в обоих случаях нет. В работе [137] измерялось уменьшение коэффициента затухания в мышечной ткани кошки в течение 4 ч после смерти животного. При этом температура поддерживалась на уровне 38 °С. За указанное время коэффициент затухания на частоте 1,75 МГц уменьшился в среднем на 24%. Для сравнения следует отметить, что исходные вариации коэффициента затухания между пятью различными животными составляли ±53%. Было также обнаружено, что после 4-часового периода затухание вновь начинало возрастать.