4.5.1.1. Внутримолекулярное поглощение
На частотах, используемых в медицинской практике, поглощение ультразвука водой, находящейся в тканях, вносит пренебрежимо малый вклад в суммарное затухание. Рассматривая компоненты тканей в порядке возрастания сложности их структуры, можно видеть, что первый заметный вклад в величину поглощения вносят биополимеры. Мономеры, такие, например, как аминокислоты, в водном растворе интересны тем, что при соответствующих значениях pH они обусловливают поглощение, которое можно описывать процессом с одной частотой релаксации. Однако поглощение в растворе биополимера значительно больше поглощения в
соответствующем растворе мономеров, из которых составлен данный полимер. Подобная закономерность, которую можно охарактеризовать как «целое много больше суммы частей», справедлива для биополимеров разной природы: белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.
На самом деле ситуация еще более сложна. Коэффициент удельного поглощения любого конкретного биополимера растет с увеличением молекулярной массы только в пределах интервала значений молекулярной массы, не превышающих массу 100 мономеров [121]. По обеим сторонам этого интервала коэффициент удельного поглощения никак не коррелирует с молекулярной массой (т. е. в пределах таких групп, как аминокислоты или белки). Непонятно, какие свойства молекул ответственны за различия в поглощении в пределах этих групп. По-видимому, конформационные перестройки молекул определяют некоторые из этих свойств, но в какой степени — неизвестно. Желатин, который является денатурированной формой коллагена и в водных растворах имеет структуру случайного клубка, характеризуется значительно меньшим удельным поглощением по сравнению с глобулярными белками, обладающими третичной и четвертичной структурами. Нативный коллаген и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) в водных суспензиях или растворах характеризуются еще более высоким по сравнению с белками удельным поглощением. Обе эти молекулы имеют очень высокий уровень структурной организации (тройная спираль и, соответственно, двойная спираль). С другой стороны, величины удельного поглощения молекул полисахаридного декстрана и фиколла, имеющих одинаковый молекулярный вес, приблизительно совпадают, хотя молекулы декстрана представляют собой длинные цепочки, а молекулы фиколла имеют глобулярную структуру. Вклады в поглощение, обусловленные классическими вязкими потерями, для этих молекул совершенно различны. В общем случае сдвиговая вязкость растворов макромолекул никак не коррелирует с коэффициентом поглощения звука.
Частотные зависимости поглощения ультразвука аналогичны для всех полимеров, обладающих структурной организацией высокого порядка. Этот факт наводит на мысль, что поглощение в таких полимерах обусловлено действием одного и того же механизма, отличного, к примеру, от механизма поглощения в желатине. Близкая к линейной форма частотной зависимости поглощения в этих полимерах свидетельствует о распределении времен релаксации, однако конкретные механизмы действующих релаксационных
процессов неизвестны. Общепринятым является мнение, что при нормальных физиологических значениях pH наиболее существенный вклад в поглощение обусловлен, вероятно, возмущениями гид ратных оболочек макромолекул под действием ультразвука. Перераспределение этих областей высокоструктурированной воды, окружающей каждую молекулу, приводит к поглощению энергии в процессе структурной релаксации. Возможно, что поглощение ультразвука определяется конформацией биополимера в той степени, в какой она влияет на равновесие между связанными и свободными молекулами. Такие механизмы часто называют взаимодействиями между растворенным веществом и растворителем. Гипотеза о структурной релаксации в определенной степени подтверждается результатами работы [195], авторы которой зафиксировали наличие небольших отрицательных температурных коэффициентов поглощения.
Несмотря на то, что липиды в той или иной форме составляют вторую основную компоненту сухого веса многих мягких тканей (первую образуют белки), исследованию их акустических характеристик уделялось сравнительно мало внимания. В тех работах, которые были посвящены этому вопросу, рассматривались липиды и структуры, связанные с клеточными мембранами, и использовались суспензии фосфолипидов типа лецитина в форме биослоев, образующих липосомы. При таких условиях поглощение звука может быть рассмотрено в рамках либо одиночного релаксационного процесса [78], либо нескольких действующих релаксационных процессов [94] с частотами релаксации, лежащими в диапазоне от 1,6 до 16 МГц. Возможно, что механизмы этих процессов заключаются в конформационных перестройках, связанных с переходом из кристаллической в жидкокристаллическую фазу. Такой фазовый переход происходит при температуре около 41,3 °С, когда амплитуда релаксации максимальна и скорость звука достигает локального минимума, характеризующегося очень большим отрицательным значением температурного коэффициента [146, 151]. По-видимому, на частотах выше 150 МГц какие-либо дополнительные релаксационные процессы с существенной амплитудой не действуют.
