Отражение и рассеивание

При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения. В зависимости от угла говорят о перпендикулярном и наклонном (под углом) падения ультразвукового луча. При перпендикулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен или частично отражен, частично проведен через границу двух сред; при этом направление ультразвука, перешедшего из одной среды в другую среду, не изменяется.

Рис. 8. Перпендикулярное падение ультразвукового луча.

Интенсивность отраженного ультразвука и ультразвука, прошедшего границу сред, зависит от исходной интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом отражения. Отношение интенсивности ультразвуковой волны, прошедшей через границу сред, к интенсивности падающей волны называется коэффициентом проведения ультразвука. Таким образом, если ткани имеют различные плотности, но одинаковое акустическое сопротивление — отражения ультразвука не будет. С другой стороны, при большой разнице акустических сопротивлений интенсивность отражения стремится к 100%. Примером этого служит граница воздух/мягкие ткани. На границе этих сред происходит практически полное отражение ультразвука. Чтобы улучшить проведение ультразвука в ткани тела человека, используют соединительные среды (гель). При наклонном падении ультразвукового луча определяют угол падения, угол отражения и угол преломления.

Рис. 9. Отражение, преломление.

Угол падения равен углу отражения. Преломление — это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными скоростями проведения ультразвука. Синус угла преломления равен произведению синуса угла падения на величину, полученную от деления скорости распространения ультразвука во второй среде на скорость в первой. Синус угла преломления, а, следовательно, и сам угол преломления тем больше, чем больше разность скоростей распространения ультразвука в двух средах. Преломление не наблюдается, если скорости распространения ультразвука в двух средах равны или угол падения равен 0. Говоря об отражении, следует иметь в виду, что в том случае, когда длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности, имеет место зеркальное отражение (описанное выше).

, где АИ – акустический импеданс, t – угол между направлением распространения звуковой волны и перпендикуляром к границе фаз. Чем меньше угол падения (т.е. чем ближе направление распространение звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн.

В случае если длина волны сопоставима с неровностями отражающей поверхности или имеется неоднородность самой среды, происходит рассеивание ультразвука.

Рис. 10. Обратное рассеивание.

При обратном рассеивании ультразвук отражается в том направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных сигналов увеличивается с увеличением неоднородности среды и увеличением частоты (т.е. уменьшением длины волны) ультразвука. От способности ткани к отражению зависит качество ее визуализации, в основном контрастность изображения.

При близких значениях акустических сопротивлений большая часть ультразвуковой энергии проходит через границу двух сред. Однако современная аппаратура способна воспроизводить на экране отражение менее 1% ее мощности. Отражение будет прямо пропорционально разности акустического сопротивления на границе раздела двух неоднородных сред (тканей). Акустическое сопротивление зависит от плотности ткани и скорости распространения в ней ультразвука. Коэффициент отражения (КО) легко определить, если известны акустические импедансы (АИ) первой и второй сред:

КО = (АИ2 – АИ1)/(АИ2 + АИ1)

Понятно, что чем больше разница между акустическими сопротивлениями двух сред, тем большая часть энергии волны отразится на их границе. Именно поэтому при проведении исследования так важно создать акустическую прослойку между датчиком и кожей, нанеся специальную контактную смазку, хорошо проводящую ультразвуковые колебания и тем самым свести к минимуму их отражение. Малейшая воздушная прослойка приводит к почти полному отражению ульразвуковой волны и невозможности получения какой-либо диагностической информации.

Рассеивание относительно мало зависит от направления падающего луча и, следовательно, позволяет лучше визуализировать отражающие поверхности, не говоря уже о паренхиме органов. Для того, чтобы отраженный сигнал был правильно расположен на экране, необходимо знать не только направление излученного сигнала, но и расстояние до отражателя. Это расстояние равно 1/2 произведения скорости ультразвука в среде на время между излучением и приемом отраженного сигнала. Произведение скорости на время делится пополам, так как ультразвук проходит двойной путь (от излучателя до отражателя и назад), а нас интересует только расстояние от излучателя до отражателя.

Рис. 11. Измерение расстояния с помощью ультразвука.

В зависимости от соотношения длины волны зондирующего излучения и размеров объектов отражения различают три типа отражателей:

1. Одиночные отражатели, размеры которых меньше длины волны. Они отражают ультразвук в соответствии с рэлеевской теорией диффузного рассеяния во всех направлениях. Амплитуда сигналов, идущих от диффузных отражателей незначительная.

2. Отражатели, размеры которых соизмеримы с длиной волны. В этом случае растет амплитуда эхосигналов.

3. Зеркальные отражатели, размеры которых намного больше длины волны. В этом случае отражение становится направленным, а амплитуда эхосигналов еще более возрастает.

В реальных биологических средах присутствуют обычно все три типа отражателей. Границы органов и тканей, стенки сосудов являются зеркальными отражателями, внутренние структуры органов и тканей – диффузными отражателями I и II типов.

Ниже приведены коэффициенты отражения (%) границ раздела некоторых тканей.

Введя в формулу для расчета коэффициента отражения значение интенсивности ультразвука (И), можно рассчитать интенсивность отражения эхосигнала (ИО).

(АИ1 – АИ2)ИО = ИХ – (АИ1 + АИ2)

При этом интенсивность проникновения ультразвука (ИП) будет соответствовать разности между интенсивностью излучения и интенсивностью отражения. Например, акустический импеданс воздуха равен 200 rayls, а мягких тканей 1 630 000 rayls. Отсюда следует, что в случае И = 1 Вт/см2, ИО составляет 0,999 Вт/см2. Следовательно, интенсивность проникновения ультразвука на границе воздух – мягкие ткани будет равна 0,001 Вт/см2.

Затухание. Затухание ультразвуковых колебаний происходит в результате расхождения, рассеивания и поглощения. Расхождение ультразвуковых волн происходит в так называемой дальней зоне и лимитируется особенностями датчика. Рассеивание ультразвука происходит в результате преломления на границе раздела сред. Поглощение связано с затратой энергии ультразвуковых колебаний на нагревание и кавитацию тканей.

Рис. 12. Распространение ультразвука, генерируемого нефокусируемым (А) и фокусируемым (Б) датчиками.

Затухание = 1/2 · дистанцию (м) · частоту ультразвука (Гц)

Глубина проникновения ультразвука (проникающая способность). Проникающая способность обратнопропорциональна величине акустического импеданса среды. Чем выше плотность среды, тем больше поглощение и рассеивание. Чем выше частота УЗ, тем меньше проникающая способность, тем легче происходит его затухание.

Отразившись от границы раздела сред, ультразвуковой луч вернется к датчику через время t. Зная скорость распространения ультразвука в тканях (1 540 м/с) и время, за которое ультразвук прошел расстояние до границы раздела сред и обратно (∆t), можно вычислить расстояние от датчика до объекта (D):

D=1540 · (∆t)/2

Это соотношение между временем и расстоянием и лежит в основе метода ультразвуковой визуализации сердца. Обычно в эхокардиографии используют ультразвуковые импульсы длительностью около 1 мc. Пьезоэлектрический элемент работает в режиме генерации менее 1% времени, а все остальное время — в режиме приема. При этом пациент получает минимальные дозы ультразвукового облучения.

Генерированный ультразвуковым датчиком сигнал распространяется на некоторое расстояние, называемое ближней зоной, в виде пучка параллельных волн, которые затем расходятся в так называемой дальней зоне. Наилучшим образом могут быть исследованы объекты, находящиеся в ближней зоне: здесь выше интенсивность излучения и больше вероятность того, что ультразвуковые лучи распространяются перпендикулярно границе раздела фаз. Интенсивность измеряется числом волн на единицу площади. Протяженность ближней зоны (l) зависит от радиуса датчика (r) и длины ультразвуковой волны (l):

l = r/l.

Поскольку l = V/f, где V — скорость распространения ультразвука в тканях, f — его частота, V = 1540 м/с, получим:

l = r²´f/1540.

Отсюда ясно, что размер ближней зоны можно увеличить, увеличив частоту или радиус датчика (таблица).

Разрешающая способность. Разрешающая способность ультразвука характеризуется минимальным расстоянием между двумя точками, при котором их еще можно различить. Аксиальное разрешение определяется минимальным расстоянием между двумя точками, расположенными по ходу ультразвукового луча. Латеральное разрешение характеризуется минимальным расстоянием между двумя точками, расположенными перпендикулярно к ходу лучей. Чем выше частота ультразвука, тем выше разрешающая способность. Латеральное разрешение обычно хуже аксиального.

Поиск по сайту: