Затухание ультразвука при исследовании. Степени затухания ультразвука при прохождении через ткани

Обновлено: 03.05.2024

Поскольку ультразвук имеет волновую природу, ему присущи все физические характеристики волны.

1)Частота ультразвука - число полных колебаний за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). 1 Гц = 1 колебанию в секунду. 1 мГц = 1 млн. Гц.1 кГц = 1000 Гц. С повышением частоты ультразвука повышается четкость изображения, но уменьшается глубина проникновения. Когда важна глубина проникновения в ткани, следует выбирать низкочастотный трансдуктор (излучатель, датчик).

2)Период - время, необходимое для получения одного полного цикла. Единицей измерения периода является секунда и микросекунда.

3)Длина волны - длина, которую занимает в пространстве одно полное колебание. Длина волны зависит от источника ультразвука и свойств среды. Измеряется в метрах и миллиметрах.

4)Амплитуда ультразвуковой волны - максимальное отклонение наблюдаемой физической переменной от среднего значения. При прохождении через любую среду будет наблюдаться уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием.

5)Скорость распространения ультразвука зависит от плотности и упругости среды. Скорость, как правило, увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности. Усредненная скорость прохождения ультразвука через тело 1540 м/с, т.е. на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых приборов.

При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражение, преломление, рассеивание, поглощение.

В зависимости от угла, под которым проводится исследование, говорят о перпендикулярном и наклонном падении ультразвукового луча.

При перпендикулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен, или частично отражен, а также частично проведен через границу двух сред, при этом направление ультразвука не меняется. При большой разнице акустических сопротивлений интенсивность отражения может достигать 100 %. Примером этого служит граница воздух-мягкие ткани.

При наклонном падении ультразвукового луча определяют угол падения, угол отражения и преломления. Угол падения равен углу отражения.

Преломление - это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными скоростями проведения ультразвука. Преломление не наблюдается, если скорости распространения ультразвука в двух средах равны или угол падения равен нулю.

Рассеивание - это ослабление ультразвукового луча в результате его прохождения через неоднородную структуру. Рассеивание ультразвука происходит, если длина волны меньше или сопоставима с неровностями отражающей поверхности или имеется неоднородность самой среды. Интенсивность рассеивания сигналов увеличивается с увеличением неоднородности среды и увеличением частоты ультразвука.

Отражение и трансформация ультразвуковых волн

Рассмотрим основные явления, происходящие на границе раздела двух сред, предполагая, что плоская ультразвуковая волна падает на плоскую границу раздела двух полубесконечных сред, имеющих акустические сопротивления z, и z_r В реальных процессах мы имеем дело с ограниченными средами, а также с волнами, в той или иной степени отличающимися от плоских. Предположим, что граница раздела гладкая, то есть на ней отсутствует рассеяние ультразвука, связанное с шероховатостью поверхности. Иными словами, будем считать, что ультразвуковые волны подчиняются законам геометрической акустики.

В общем случае на границе раздела могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волн.

Отражением называется изменение направления волны на границе раздела, при котором волна частично переходит в другую среду (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Схема преобразования продольной ультразвуковой волны при прохождении по нормали через границу двух сред (схема отражения):

/ — г, = р,с_п; 2 — г_г = р₂с_п; 3 — первичная волна; 4 — сталь; 5 — отраженная волна; б — прошедшая волна; 7 — воздух

Преломлением называется изменение направления волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду.

Трансформацией называется преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.

При падении продольной волны с_п из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуются (рис. 4.13): с₍₎ — отраженная продольная волна;

с_(| — отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

с_п — преломленная продольная волна;

с_а — преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.

При падении поперечной волны с ,: с_(| — отраженная поперечная волна;

c₍₁ — отраженная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

с₍₂ — преломленная поперечная волна;

с_п — преломленная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.

На границе раздела углы отсчитываются от нормали (перпендикуляра) к поверхности раздела двух сред, проходящей через точку падения.

Рис. 4.13. Схема преобразования (трансформации) ультразвуковой волны при прохождении через границу раздела двух сред под углом р

Углы отражения и преломления зависят от скоростей звука в обеих средах и связаны между собой законом Снеллиуса:

где Р с соответствующими индексами — углы падения и отражения; а — углы преломления.

Из этого соотношения следует, что угол отражения для волн одного типа равен углу падения, а синусы углов преломления и отражения пропорциональны значениям соответствующих скоростей распространения ультразвуковой волны в контактирующих средах. На схеме, представленной на рис. 4.13, самая большая скорость распространения у продольной волны в стали. Соответственно, ей принадлежит и наибольшее значение угла преломления—а_д. Поперечные волны трансформируются под меньшими углами, так как скорости их распространения в обоих контактирующих средах меньше, чем у продольной волны (а_й а_лир„ Р|₁).

Если с_п и Р«р2 = 55° 15'.

Таким образом, при углах падения продольной ультразвуковой волны в интервале от 26°50' до 55° 15' из оргстекла на сталь в стальном контролируемом объекте будет возникать только поперечная волна.

Рис. 4.14. Схемы формирования критических углов при прохождении ультразвуковой волны из оргстекла в сталь

При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую (см. рис. 4.12). Если ультразвуковая волна падает перпендикулярно к границе раздела двух сред, то проходящая и отраженная волны будут такого же типа, что и падающая. Распределение энергии между отраженной и прошедшей волной определяется соотношением удельных акустических сопротивлений контактирующих сред. Коэффициент отражения R (т.е. отношение интенсивностей отраженной и падающей волн) при падении волны по нормали равен

где р,с, и р₂с₂ — акустические сопротивления контактирующих сред.

Коэффициенты отражения продольной волны на границе между сталью и некоторыми средами, заполняющими полости дефектов сварки, приведены в табл. 4.5.

Из таблицы видно, что шлаковые включения будут выявляться гораздо хуже дефектов таких же размеров, но с воздушным заполнением. Приведенные значения справедливы для несплошностей, размеры которых намного больше длины волны. Если же размеры несплошности в направлении, перпендикулярном ультразвуковому лучу, значительно меньше длины волны, то волны огибают ее без существенного отражения. Для получения заметного отражения достаточно, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны.

При малой толщине несплошности доля отраженной от нее энергии зависит еще и от величины раскрытия несплошности в направлении распространения волны. Так, если в среде с акустическим сопротивлением имеется тонкий слой включения из материала с акустическим сопротивлением z_v то коэффициент отражения по интенсивности при нормальном падении звуковой волны будет равен

где 8 — толщина слоя, Х_г — длина волны в слое.

Отражение УЗ-волны от тонкого слоя зависит от отношения длины волны к толщине слоя и тем эффективнее, чем больше различие акустических сопротивлений слоя и окружающей среды. Расчет по формуле (4.23) показывает, что трещина в стали, заполненная воздухом и имеющая раскрытие всего в 1 мкм, будет отражать 90 % энергии падающих на нее волн с частотой 2,5 МГц. Если же трещина заполнена минеральным маслом, то заметное отражение возникает при раскрытии трещины не менее 0,01 мм. Практически заметное уменьшение коэффициента отражения от слоя воздуха в стали начинается при 8 = 10" 4 мм.

Приведенные в табл. 4.5 значения справедливы при условии, что размеры несплошностей (дефектов) намного больше длины волны. Отражение ультразвуковой волны происходит тогда, когда размер дефекта в направлении, перпендикулярном ее распространению, больше Х/2. Если этот размер меньше л/2, то волна огибает дефект без существенного отражения (явление дифракции). Интенсивность отражения волны от дефекта зависит от отношения Х/Ar, где Аг — минимальный размер дефекта в направлении распространения ультразвуковой волны. Практика показала, что минимальный размер дефекта, который может быть выявлен с помощью ультразвуковых колебаний, определяется соотношением

ЗАТУХАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Распространяясь в среде, ультразвуковые волны затухают, и их интенсивность, а следовательно, и амплитуда колебания частиц среды уменьшаются с увеличением расстояния от источника.

Затухание обусловлено поглощением звука средой, т. е. переходом звуковой энергии в другие виды энергии, в частности в тепловую, рассеянием звука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения волны, а также расхождением звукового луча по мере удаления от источника.

Плоская волна в однородной среде затухает в основном в результате поглощения ультразвука. Амплитуда колебания частиц и интенсивность ультразвука уменьшаются с расстоянием * согласно уравнениям

где /о и Ао - интенсивность ультразвука и амплитуда колебания частиц вблизи источника;

/ и Л₀ - интенсивность и амплитуда на расстоянии х от источника; а - коэффициент поглощения; е - число Непера (е - 2,72).

Коэффициент поглощения в жидких средах пропорционален их вязкости ц и квадрату частоты колебаний:

Коэффициент поглощения быстро увеличивается с возрастанием частоты, зависит от свойств вещества, в котором распространяется волна, а также температуры, давления и других условий.

Величина 1/а, обратная коэффициенту поглощения, определяет расстояние, на котором амплитуда колебаний частиц уменьшается в е раз, т. е. примерно в 3 раза.

Затухание ультразвука в биологических тканях значительно больше, чем в воде. Так, затухание в жировой ткани в 4 раза, в мышце в 10 раз, а в костной ткани примерно в 75 больше, чем в воде или в жидких биологических средах - крови и лимфе.

В терапевтических целях для эффективного воздействия на ткани чаще всего используют ультразвук с частотой 0,7 МГц и выше. Ультразвук в диапазоне 0.7. 1 МГц обычно применяют для воздействия на глубоколежащие ткани и внутренние органы. Для лечения кожных заболеваний частоту повышают до 2.5. 3 МГц.

В диагностике, в частности для визуализации внутренних органов, применяют интенсивный импульсный ультразвук с частотой

6. 10 МГц, так как разрешающая способность диагностической аппаратуры пропорциональна частоте ультразвука. При более высоких частотах поглощение ультразвука значительно увеличивается. Поэтому для получения сигнала, отраженного от внутренних органов, пришлось бы применять слишком высокие интенсивности ультразвука, опасные для жизнедеятельности организма.

Поглощенная веществом, в частности биологическими средами, ультразвуковая энергия выделяется в основном в виде тепла, что приводит к повышению температуры вещества. Это повышение температуры неоднократно измеряли экспериментально и рассчитывали теоретически. Теплопродукция в разных тканях неодинакова из-за различий в их коэффициентах поглощения (табл. 1.2).

Акустические свойства некоторых тканей и воды

Акустическое сопротивление, кг/м 2 с

Коэффициент поглощения, дБ/см, при/=1 МГц

Можно показать, что в мышечной ткани толщиной в 1 см при интенсивности 1 Вт/см 2 в течение секунды поглощается около 0,3 Вт. Этому соответствует выделение тепла, достаточное для нагревания 1 см 3 воды на 0,1 в С. Полагая, что теплоемкость мышечной ткани и воды примерно одинакова, легко подсчитать (без учета рассеивания тепла), что мышечная ткань в этих условиях нагревается на 1 °С за 10 с. Экспериментально повышение температуры в тканях наблюдали многие авторы. Однако результаты их исследований существенно различаются, что может быть обусловлено неравномерностью ультразвукового поля разных излучателей, различной степенью неоднородности исследованных тканей, разными условиями рассеивания теплоты.

При облучении, например, брюшной полости собаки ультразвуком (0,5 Вт/см 2 ; 0,88 МГц) температура в жировой ткани за 10 мин повышается на 3. 4 °С, а в печени и на передней стенке желудка - на 0Д..0.8 в С. В икроножной мышце лягушки, облучаемой ультразвуком (1 Вт/см 2 ; 0,88 МГц) в течение 5 мин, температура повышается не более, чем на 5. 7 °С.

Значительно больше, чем в объеме однородной ткани, выделяется теплота на границах раздела тканей с отличающимися акустическими сопротивлениями или на неоднородностях структуры ткани. Возможно, именно этим объясняется и то, что ткани со сложной архитектоникой (например, легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем однородные ткани (например, печень).

Дополнительная разность температур между соседними тканями может возникнуть также из-за различий в их коэффициентах теплопроводности (табл. 1.3), в насыщенности кровеносными сосудами и т. д.

Коэффициенты теплопроводности различных тканей

Теплопроводность, Вт/см К

Полагают, что нагревание тканей и градиенты температур на границах раздела разных тканей в основном и обусловливают биологическое действие ультразвука. Однако имитация ультразвукового нагревания тканей с помощью других термогенных воздействий - инфракрасным излучением, высокочастотными электромагнитными волнами, горячим парафином и пр. не дает того биологического и терапевтического эффекта, которого удается достичь с помощью ультразвука.

Реакция биологической системы на повышение температуры обусловлена разными причинами: первичными повреждениями клеточных элементов; совокупностью нарушений, вторично развивающихся в клетках и прямо или косвенно зависящих от первичных повреждений; синтезом термошоковых белков, обеспечивающих реактивное повышение стабильности клеточных компонентов в ответ на повышение температуры; репарацией повреждений, осуществляемой не только после прекращения нагревания, но и во время него.

Кроме того, градиент температур между содержимым клетки и внеклеточной средой, возникающий при ультразвуковом воздействии с частотой 1 МГц и интенсивностью 1 Вт/см 2 , достигает 2. 5 град/см. При таком градиенте температуры в результате термодиффузии через мембрану будет ускоряться транспорт веществ в одну сторону и замедляться их перенос в противоположном направлении. С увеличением интенсивности ультразвука или его частоты градиент температур на мембране возрастает.

Затухание ультразвука в биологических тканях

Затухание ультразвука, т.е. снижение энергии УЗ волн в процессе их распространения вглубь тканей, существенным образом влияет на акустическое изображение, прежде всего на максимальную глубину, с которой еще можно получать информацию, и на качество изображения.

Основными причинами затухания УЗ волн являются: отражение и рассеяние УЗ волн на неоднородностях, поглощение УЗ волн.

Дополнительное затухание имеет место из-за расходимости УЗ луча, т.е. увеличения площади сечения луча с глубиной. Затухание из-за расходимости луча обычно по величине много меньше, чем вследствие отражения, рассеяния и поглощения УЗ волн.

Поглощение обусловлено вязкостью, теплопроводностью биологических тканей, а также сложными процессами, полное понимание которых пока отсутствует.

В зависимости от расстояния (глубины) амплитуда давления УЗ волны из-за рассеяния и поглощения уменьшается по экспоненциальному закону:

Р=Р₀* e - α x

где х - расстояние, пройденное УЗ волной,

p0 - начальная амплитуда давления (при х = 0),

p - амплитуда давления на расстоянии х,

α - коэффициент затухания.

При фиксированной частоте коэффициент затухания обычно выражается в логарифмических единицах - децибелах на единицу расстояния:

На рисунке 19 приведены экспериментально полученные характеристики затухания в биологических тканях в зависимости от частоты ультразвука, эта зависимость изображена пунктиром и характеризуется всего одной цифрой - 0,7 дБ/(см МГц).

С помощью этой цифры очень легко определить среднее затухание на любом расстоянии на частотах ультразвука, применяемых в диагностике.

Характеристики затухания в биологических тканях

х, см	Затухание в дБ	Уменьшение амплитуды давления	Уменьшение мощности УЗ волны
на 10%	на 20%
в 1,4 раза	в 2 раза
в 2 раза	в 4 раза
в 3 раза	в 10 раз
в 10 раз	в 100 раз

Коэффициенты затухания ультразвука в биологических средах.

Рисунок 19 - Зависимость затухания ультразвука от частоты в биологических тканях: 1 - легкие, 2 - кости черепа, 3 - кожа, 4 - мышца, 5 - мозг взрослого, 6 - мозг ребенка, 7 - печень, 8 -кровь, 9 - вода, 10 - среднее значение для мягких тканей.

Так, например, на глубине 10 см при частоте f- 3,5 МГц затухание К= 25 дБ (3,2 х 102 раз по мощности), при частоте f = 5 МГц К= 35 дБ (3,2 х 103 раз по мощности), а при f = 7,5 МГц К = 55 дБ (3,2 х 105 раз по мощности). Эти примеры наглядно объясняют причину, по которой с увеличением частоты датчика уменьшается глубина исследования в УЗ диагностике.

Рисунок 20 - Увеличение периода колебаний и длительности импульса вследствие частотно зависимого затухания, а - исходный импульс, б - тот же импульс после прохождения среды с затуханием.

Костные ткани легкого имеют очень высокий уровень затухания - даже на самой низкой из обычно используемых в диагностике частот f = 2,5 МГц затухание составляет около 60 дБ/см.

В ряде случаев, например, при наблюдении через относительно тонкую височную стенку черепа, можно получать информацию о структурах, расположенных за костной тканью.

Отдельно следует сказать о затухании в жидких средах. Затухание в крови меньше, чем в мягких тканях. В воде затухание очень мало: например, на частоте 7,5 МГц на расстоянии 10 см затухание составляет всего 1,2 дБ. Поэтому в моче и содержимом некоторых видов кист затухание также очень мало. Наблюдение через наполненный мочевой пузырь существенно облегчает получение информации о глубоко расположенных органах и широко используется в гинекологии.

Малое затухание в воде дает возможность применять датчики с так называемой водной насадкой (water bag), которые позволяют исключить зону плохого наблюдения (мертвую зону) при исследовании близкорасположенных органов и структур.

Нормальное падение УЗ волн на границу раздела сред. Коэффициенты отражения и прозрачности. Затухание ультразвука

При нормальном падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред часть энергии волны отражается от поверхности раздела, а другая часть проходит сквозь нее. Распределение энергии отраженной и прошедшей волн зависят от механических характеристик граничащих материалов: скоростей волны и плотностей сред.

Сталь Сталь Медь

Воздух Вода Сталь

Интенсивность отраженной волны I_отр определяется коэффициентом отражения R: R=I_отр /I_пад, или I_отр =R I_пад , где I_пад- интенсивность падающей волны. Коэффициент отражения зависит от характеристик сред:

Аналогично, интенсивность прошедшей волны I_прош тоже является долей интенсивности падающей волны и величину этой доли можно определить с помощью коэффициента D - коэффициента прозрачности (прохождения).

D =I_прош /I_пад или I_прош = D I_пад . При этом R+ D=1или R+ D=100% .

Как видно из формулы, чем больше разница между акустическими сопротивлениями сред, тем больше коэффициент отражения R и меньше, соответственно, коэффициент прозрачности D.

Например, граница сталь-воздух имеет большую разницу удельных акустических сопротивлений и, как следствие, коэффициент отражения R практически равен 1 (отражается 100% энергии волны), а коэффициент прозрачности соответственно будет равен нулю: D » 0. Поэтому при падении ультразвуковой волны из стали или другого материала на границу с воздухом волна не сможет пройти сквозь нее, а будет полностью отражаться. Для прохождения ультразвуковых колебаний из пьезопреобразователя в контролируемое изделие и обратно необходимо между ними обязательно вводить жидкостную прослойку, которая вытесняет воздух и т. о. исчезает граница воздух-материал.

С другой стороны, свойство ультразвуковых волн отражаться от границ сред с различными акустическими характеристиками используется для обнаружения дефектов типа нарушение сплошности: поры, трещины, заполненные газом (R = 1) или шлаковые и другие включения (0 < R < 1). Таким образом, пора, заполненная воздухом, будет давать больший эхо-сигнал, чем пора, заполненная шлаком.

По мере распространения волны, даже в строго определенном направлении без какого-либо расхождения, интенсивность ее падает. Уменьшение интенсивности волны называется затуханиемультразвука и характеризуют коэффициентом затухания d .

Затухание ультразвуковых колебаний обусловлено двумя физическими процессами: поглощением и рассеянием. Поэтому коэффициент затухания можно записать: d = d_погл. + d_расс .

При поглощении механическая энергия колебаний частиц переходит в тепловую.

Рассеяние ультразвука может быть вызвано наличием в материале зерен различных компонентов (например, феррит, графит), различной ориентацией кристаллических зерен, а также наличием пор или инородных включений.

Читайте также: