5.3. Анализ опубликованных данных о скорости звука

5.3.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

На рис. 5.3 указаны типичные пределы вариаций скорости звука для ряда биологических тканей как человека, так и млекопитающих. Приведенные значения соответствуют экспериментальным данным различных авторов. Для сравнения указаны также значения скорости звука для некоторых материалов небиологического характера. Представленные данные свидетельствуют об отсутствии заметных различий в значениях скорости звука для какой-либо конкретной ткани животных различного вида. Однако подобный вывод нельзя считать окончательно установленным, поскольку явная нехватка данных и отсутствие надлежащего контроля за условиями проведения измерений могут помешать выявлению межвидовых различий при сравнительном анализе. Окончательное решение этого вопроса требует проведения специальных исследований. Как будет показано в следующем разделе, в значительной степени разброс значений скорости звука, измеренных для ткани какого-либо конкретного типа, может объясняться, например, различием температур при проведении измерений.

В целом на основе данных, показанных на рис. 5.3, можно выделить три класса тканей: ткани легкого, малая скорость звука в которых определяется высоким газосодержанием, костную ткань, близкую по своим свойствам к твердому телу, и все остальные жидкие среды и мягкие (водоподобные) ткани организма. Большое различие в скоростях звука и плотностях между мягкими тканями и костями или между мягкими тканями и легкими приводит к очень сильному рассеянию ультразвука на границах раздела между этими тканями. Эти особенности в сочетании с соответственно высокими значениями коэффициентов затухания (см. гл. 4) в тканях первых двух классов чрезвычайно затрудняют, а зачастую делают просто невозможным получение качественных акустических изображений структур, расположенных за легкими (или другими газосодержащими областями) и костями. В тканях, относящихся к третьему классу

(т. е. в биологических жидкостях и мягких тканях), различия в скорости звука невелики. Максимальные отклонения от некоторого среднего значения составляют для этих тканей всего лишь ±10%. Поэтому при разработке систем акустической визуализации, предназначенных для получения изображений различных структур человеческого организма, часто в общем-то обоснованно используется допущение о постоянстве скорости звука во всех этих структурах. Такое допущение позволяет с определенной точностью рассчитать глубину залегания исследуемой структуры по времени прихода отраженного сигнала. По-видимому, лишь одна группа исследователей придерживается другого мнения на этот счет. А именно, Джеллинс и Коссофф [47] считают, что до анализа акустических изображений определенную калибровку по средней скорости ультразвука необходимо проводить для каждого пациента индивидуально. По их мнению, такая необходимость вызвана главным образом тем, что неправильный выбор предполагаемого значения скорости звука будет приводить к пространственному смещению составных изображений и как следствие к размытию результирующей картины при использовании сложного сканирования (см. разд. 8.4). Аналогичным образом при отсутствии точных данных о скорости звука размытое изображение будет получаться и в случае применения широкоапертурных систем, в которых динамическая фокусировка осуществляется с помощью электронного управления многоэлементной матрицей приемных преобразователей.

Из рис. 5.3 следует также, что значения скорости звука в большинстве биологических жидкостей и мягких тканей (за исключением жировой ткани, характеризующейся наименьшим значением скорости звука в этом классе) превышают скорость звука в воде, причем наибольшая скорость наблюдается в мышечных сухожилиях.

Сами мышцы интересны в том плане, что они характеризуются анизотропией структуры и способностью к сокращению. До сих пор существуют различные мнения относительно того, когда скорость звука будет больше — при распространении акустической волны поперек или вдоль мышечных волокон. Людвиг [62] нашел, что скорость звука в языке коровы практически не зависела от ориентации образца относительно ультразвукового пучка. Голдмен и Ричардс [35], исследуя скелетные мышцы собаки и кролика, получили, что в этих тканях скорость звука была больше в направлении, перпендикулярном волокнам, тогда как результаты измерений, проведенных Молом и Бредделсом [68] на мышцах различного типа,

(кликните для просмотра скана)

показали, что скорость звука больше в направлении, параллельном мышечным волокнам. Кроме того, сокращение приводило к росту скорости в мышечной ткани человеческого бицепса при измерениях in vivo [68] и либо к незначительному уменьшению [10], либо к отсутствию изменения скорости звука [68] в мышечной ткани лягушки при измерениях in vitro. Высказывалось предположение, что рост скорости при измерениях in vivo обусловлен изменением кровенаполнения при сокращении мышцы. Следует отметить, что значение скорости звука в некоторых биологических жидкостях человеческого организма можно использовать как определенный диагностический параметр. В частности, в работе Клемина с соавт. [54] сообщалось о заметном расхождении значений скорости звука в желудочном соке, взятом у разных пациентов с различными патологиями (исследовались больные гастритом, язвенной болезнью и раком желудка). Авторы этой работы связывали наблюдаемые вариации скорости с изменением концентрации белков и полипептидов.

Как уже отмечалось, скорость звука в мягких тканях слабо зависит от частоты. Поэтому специально для исследования дисперсии скорости было разработано несколько систем, обеспечивающих высокую точность измерения скорости звука. В качестве примера на рис. 5.4 представлены экспериментально полученные зависимости,

Рис. 5.4. Дисперсия скорости продольных ультразвуковых волн в растворе гемоглобина крови человека [15] и в мозге человека [57]. Данные о дисперсии скорости в костных структурах приведены в тексте (разд. 5.3.1).

характеризующие дисперсию скорости в растворе гемоглобина и мозге человека. Соответствующие расчеты, выполненные в рамках релаксационной теории (см. (4.13)) с использованием общих соотношений между затуханием и дисперсией ультразвука (4.42), показали, что эти экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетной величиной дисперсии скорости [57]. Фриззелл и Гиндорф [31] в результате анализа усредненных данных, полученных при исследованиях печени овцы и кошки с помощью РЛАМа, пришли к заключению, что значения скорости звука на частоте 100 МГц и на частотах порядка нескольких мегагерц различаются очень мало.

Помимо высокой скорости звука и сильного затухания (см. разд. 4.5.2.2 и 4.4.3.7) костные ткани характеризуются также и сравнительно сильной дисперсией. В работах [8, 92] высказывалось предположение, что большая величина дисперсии в костях обусловлена главным образом рассеянием ультразвуковых волн. Из-за такой дисперсии при анализе распространения ультразвука в костях необходимо учитывать различие между групповой и фазовой скоростями звука. Костные структуры могут обладать и сильной анизотропией. В частности, в зависимости от типа кости и направления распространения волны величина дисперсии скорости продольных волн может меняться от 1 до 12% в частотном диапазоне 1 - 3 МГц. Для сравнения отметим, что дисперсия скорости в мозге в

том же частотном диапазоне не превышает 0,2% (рис. 5.4). Помимо продольных в костной ткани могут распространяться и сдвиговые волны. Скорость этих волн также зависит от направления, однако ее величина, изменяющаяся от 1800 до всегда остается меньше значения скорости соответствующей продольной волны. Дисперсия сдвиговых волн сравнительно слабо зависит от направления.