Затухание ультразвука. 
Ультразвук в медицине, ветеринарии и биологии

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).

Таблица 1.2

Акустические свойства некоторых тканей и воды

Можно показать, что в мышечной ткани толщиной в 1 см при интенсивности 1 Вт/см² в течение секунды поглощается около 0,3 Вт. Этому соответствует выделение тепла, достаточное для нагревания 1 см³ воды на 0,1 ^вС. Полагая, что теплоемкость мышечной ткани и воды примерно одинакова, легко подсчитать (без учета рассеивания тепла), что мышечная ткань в этих условиях нагревается на 1 °C 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/см²; 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 ^вС. В икроножной мышце лягушки, облучаемой ультразвуком (1 Вт/см²; 0,88 МГц) в течение 5 мин, температура повышается не более, чем на 5…7 °С.

Порог теплового повреждения тканей мало зависит от их начальной температуры, режима облучения и частоты ультразвука. Если температура ткани в ультразвуковом поле не превышает 42…43 °С, то, по данным некоторых авторов, морфологические изменения в ней не наблюдаются даже после 8-часового облучения.

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.

Таблица 1.3

Коэффициенты теплопроводности различных тканей

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/см², 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.