4.5.2.2. Вклад рассеяния в затухание звука

Оценка вклада, который рассеяние вносит в суммарное затухание в исследуемой ткани, является, по-видимому, первым существенным шагом к пониманию механизмов рассеяния и поглощения акустических волн в тканях. Удивительно, что для большинства биологических тканей отношение либо не известно, либо его измеренное значение является весьма спорным. Во многом это связано с трудностями сравнения опубликованных данных, полученных в разных лабораториях, а также со сложностью проведения прямых измерений величины (см. гл. 6). Следует также напомнить, что результаты измерений коэффициента затухания могут зависеть от конкретной геометрии измерительной схемы (см. разд. 4.2 и 4.4.2.1).

Для некоторых биологических сред анализ и оценка реальных значений не вызывает больших затруднений. Во-первых, в человеческом организме существует ряд однородных биологических сред, в которых при отсутствии патологических изменений рассеяния звука, по-видимому, вообще не происходит, по крайней мере на тех частотах, которые обычно используются в медицинской практике. Примерами таких сред могут служить околоплодная жидкость, влага передней камеры, стекловидное тело, хрусталик глаза и кистозная жидкость.

Во-вторых, не вызывает сомнения тот факт, что наличие границ раздела между воздухом и тканью в легких приводит к очень большому затуханию ультразвука в этом органе. Уравнения, описывающие затухание на газовых пузырьках (разд. 4.3.3), использовались Данном и Фраем [52] для теоретических оценок величины и частотной зависимости затухания в легких. Следует, однако, отметить, что предсказанный минимум затухания в частотной области в дальнейшем не получил экспериментального подтверждения [46]. Вместо этого было показано, что затухание в легких монотонно возрастает с ростом частоты в диапазоне от 1 до 6 МГц.

В-третьих, нет расхождения в мнениях относительно того, что присутствие интактных клеток в крови определяет лишь незначительную долю затухания, большая часть которой в основном обусловлена вязкими потерями за счет относительного движения (см. следующий раздел). Ниже мы приведем результаты прямого измерения абсолютных значений для крови. В работе [194] была получена интересная зависимость от изменения показателя гематокрита с максимумом при концентрации красных кровяных телец,

равной 26%, т. е. при концентрации более низкой, чем в нормальной крови.

Все возможные способы определения вкладов поглощения и рассеяния в затухание звука можно разделить на прямые и косвенные методы. Прямые методы измерения коэффициента поглощения были рассмотрены в разд. 4.4.1.1; лишь совсем недавно были предприняты попытки прямых измерений коэффициента рассеяния, не требующие данных о коэффициентах поглощения или затухания звука. При измерениях абсолютных значений сечения рассеяния единичного объема возникает ряд серьезных проблем, связанных с необходимостью точных оценок поправочных коэффициентов. Введение таких поправочных коэффициентов требуется для того, чтобы сделать результаты измерений не зависящими от конкретного типа той аппаратуры, которая используется как для получения абсолютного значения дифференциального сечения рассеяния единичного объема при выбранном угле рассеяния (для этой цели часто используется обратное рассеяние), так и для определения с высокой точностью усредненного углового распределения рассеяния. На это угловое распределение существенно влияют форма образца и вариации угла перекрытия характеристик направленности приемника и излучателя. Несмотря на все эти трудности, результаты прямого измерения рассеяния позволяют, по-видимому, получить наиболее точные на сегодняшний день оценки отношения Кэмпбелл и Вааг [28] нашли, что для печени теленка отношение составляет примерно 2% в частотном диапазоне Нассири и Хилл [161] для частотного диапазона получили приближенные значения этого отношения для печени человека, мышечной ткани и крови. Они равнялись соответственно 19, 17 и 0,3%. Полученные данные представляют большой интерес, поскольку с их помощью можно одновременно контролировать значения и найденные в результате прямых измерений. Паркер [175] провел прямые измерения и в образцах печени коровы и на основе сравнения дисперсии двух наборов данных установил, что на частотах 1,1 и 3,3 МГц значения этих величин статистически неразличимы. Заметное различие, соответствующее значению , наблюдалось лишь на частоте 5,6 МГц.

Помимо прямых методов измерения существует большое число косвенных методов оценки вкладов поглощения и рассеяния в затухание звука, однако эти методы, как правило, позволяют получить лишь вспомогательные данные. Наиболее убедительной в этом плане представляется классическая работа Паули и Швана [177], в

которой показано, что затухание звука в цельной печени коровы уменьшается после гомогенизации ткани. Из полученных ими результатов следует [101], что в частотном диапазоне значение для печени составляет приблизительно 30%. В этом исследовании предполагалось, что процесс гомогенизации, который приводит к устранению из ткани всех рассеивающих структур вплоть до структур субклеточного уровня, не влияет на коэффициент поглощения звука. Справедливость такого предположения вызывает большие сомнения, поскольку определенный вклад в поглощение могут давать потери, возникающие на неоднородностях ткани за счет вязкого относительного движения. Тем не менее полученное значение 30% представляет полезную информацию, поскольку оно определяет верхний предел возможных значений в печени, с которым можно сравнивать результаты других оценок.

Предпринимались попытки сравнительного анализа опубликованных данных по результатам измерений величин и Следует отметить, однако, что даже в случае использования фазонечувствительной аппаратуры для измерения затухания есть опасность, что на результаты измерения затухания звука сильно влияет наличие в среде газовых пузырьков (а также ряд других факторов), тогда как на результатах измерения поглощения все это никак не сказывается. Госс и др. [90], а также Полхаммер и др. [183] получили, что в частотном диапазоне 0,5 — 10 МГц значения для печени лежат в интервале некоторых работах приводятся и более низкие значения этого отношения.

Другие методы косвенных оценок основаны на моделировании частотной зависимости затухания в печени с помощью уравнения (4.37), выведенного в разд. 4.3.4 применительно к твердым телам [160], и на анализе различий между поглощением, обратным рассеянием и затуханием звука в процессе распада ткани и ее гистохимической фиксации [7]. В работе [160] в предположении, что коэффициент пропорционален проводились оценки таких значений множителя В из уравнения (4.37), при которых расчетная частотная зависимость в печени согласовывалась бы с имеющимися экспериментальными данными. Было получено, что в частотном диапазоне отношение составляет приблизительно 1% для нормальной печени и достигает 8 - 13% для печени с ожирением. В работе [7] при проведении расчетов предполагалось, что коэффициент поглощения и угловое распределение рассеяния существенно не меняются в процессе распада ткани. В работе [131] наблюдались изменения коэффициента поглощения, вызванные

фиксацией в формалине. В этом случае значения параметра полученные для печени, изменялись от 9 до 16% на частоте 4 МГц.

По имеющимся данным коэффициент затухания звука в костной ткани может в 2 - 20 раз превышать его значения в мягких тканях, причем опубликованные данные по частотной зависимости затухания в костях сильно расходятся. Несколько авторов [16, 103] считают, что такая частотная зависимость подчиняется закону, который справедлив в тех случаях, когда затухание звука определяется в основном рассеянием на гранулированных структурах (см. разд. 4.3.4). Однако Фрай [74] предполагал, что характер полученной в работе [103] частотной зависимости можно объяснить действием вязких потерь при относительном движении отдельных участков среды.