Звук как физическая основа эхокардиографии (ЭхоКГ)
В соответствии с ориентированным на практику характером статей на сайте в первых статьях будет представлен краткий обзор важнейших физических и технических принципов, необходимых для основательного понимания метода. Современная эхокардиография (ЭхоКГ) - методика, крайне требовательная к техническому оснащению, и аппараты являются инженерными произведениями, монументами техническому прогрессу. Исчерпывающее их описание стало бы слишком сложной задачей для автора и не вместилось бы в рамки данной книги; поэтому здесь приводятся лишь указания на существующую литературу. Кроме того, прикладная акустика и динамика потоков вовсе не являются областями физики, полностью теоретически освещенными и прозрачными для понимания.
Принципы некоторых специальных техник (режим второй гармоники, тканевая допплер-ЭхоКГ, контрастная ЭхоКГ, трехмерная ЭхоКГ) будут описаны в соответствующих статьях сайта МедУнивер.
Звук можно представить как связанные с материальными частицами колебания, протекающие в форме периодического увеличения и уменьшения плотности материи, т.е. в виде периодического уплотнения и разрежения среды, и волнообразно распространяющиеся в пространстве. Соответственно этому звук может возникать как в газах, так и в жидкой или в твердой среде, но не в вакууме. Возникает продольная волна («волна давления»), имеющая определенную скорость распространения (с), частоту (0 и длину волны (А.), причем справедливо равенство: с = f • X
Схема ультразвуковой волны. Вверху представлено уплотнение и разрежение участвующих в колебаниях частиц (например, молекул газа).
Зоны уплотнения (высокое давление) и разрежения (низкое давление) чередуются на расстоянии длины волны (λ).
Внизу представлено изменение давления (р) вдоль линии распространения волны. Между максимумами (и, соответственно, между минимумами) давления расстояние также равно длине волны.
Подобную синусоиду можно было бы также записать на временной оси, если регистрировать давление в заданной точке, подверженной звуковой волне (по 36).
а) Скорость распространения волны и ее мощность. Скорость распространения волны зависит от материала и температуры; в воздухе она почти в 5 раз медленнее (330 м/с), чем в воде (1480 м/с). Эхокардиографические аппараты откалиброваны на скорость распространения волны в тканях, равную 1540 м/с. Влияние среды на скорость распространения звука обозначается как акустический импеданс (акустическое сопротивление среды) и определяется как произведение скорости звука в материи и ее плотности.
Звуковая волна не переносит материальные частицы; вместо этого колеблющиеся частички материи производят лишь мельчайшие смещения на доли нанометра от своего положения покоя, причем скорости этих смещений гораздо ниже, чем скорость распространения волны. Зато звуковая волна переносит энергию. Параметром этой энергии является мощность, или интенсивность, звука, которую определяют как мощность на единицу площади волнового поля, перпендикулярной к направлению распространения волны (единица измерения: Вт/см1).
Отражение, преломление, рассеивание:
а Если звуковая волна попадает на границу раздела двух сред с различным акустическим импедансом, возникает отражение. Энергия отраженной волны тем выше, чем больше разница акустических импедансов двух сред. Угол падения равен углу отражения. При прямом угле падения часть энергии волнового луча будет отражена назад к источнику волны. Часть волновой энергии не отражается, а преломляется, т.е. продолжает распространяться во вторую среду с изменением направления распространения (что зависит от соотношения импедансов).
б Если отражающие поверхности по размеру меньше длины волны ультразвука или волна попадает на «неровную» поверхность (слева), возникает рассеивание энергии во все направления, в том числе и в направлении к источнику ультразвука (конечно, в существенно меньшей степени, чем в случае отражения от большой поверхности, перпендикулярной направлению волны). Сравните с ситуацией, изображенной справа, где от гладкой, расположенной под углом к волне поверхности никакое количество энергии не возвращается к источнику ультразвука.
б) Формы взаимодействия с материальными частицами. При распространении звуковой волны возможны 4 принципиальные формы взаимодействия с пронизываемой средой.
- Ослабление (затухание). Это свойство материи, и степень ослабления звука прямо пропорциональна дистанции, которую проходит волна. При этом энергия преобразуется в тепло. Ослабление сильнее при высокой частоте, что объясняет недостаточную глубину проникновения в ткани высокочастотных ультразвуковых волн.
- Отражение (рефлексия). Волна отражается от границы сред, имеющих различные акустические импедансы (т.е. различные скорости распространения волны), причем угол отражения равен углу падения волны.
- Преломление (рефракция). В случае преломления на границе раздела двух сред с различным акустическим импедансом (соответственно, с различной скоростью распространения волны) волна изменяет направление своего дальнейшего распространения. Соотношение угла падения и угла преломления зависит от соотношения акустических импедансов соответствующих сред.
- Рассеивание. Этот феномен обозначает отклонение звуковой волны во всех направлениях (в том числе и по направлению к источнику ультразвука) при попадании волны на отражающие поверхности (т.е. на границы раздела сред с различным акустическим импедансом), имеющие размеры, одинаковые или меньшие по сравнению с длиной волны.
В ЭхоКГ анализируется малая часть излученной волновой энергии, которая благодаря отражению или рассеиванию возвращается назад к источнику ультразвука. Очень сильное отражение происходит, среди прочего, на границе между тканью и воздухом; здесь отражается практически вся энергия звуковой волны, так что такие границы являются акустически «непрозрачными». Похожее тотальное отражение наблюдается в случае обызвествленных структур, которые на эхокардиографическом изображении проявляются в виде дорсальных эхотеней, поскольку дистальнее этих структур нет доступной акустической энергии.
Ультразвуком называются волны с частотой выше слышимого диапазона, т.е. выше 20 000 Гц (20 кГц). Типичные частоты для диагностически используемого ультразвука расположены между 2 и 7 МГц (1 МГц = 1000 кГц = 1 000 000 Гц), для внутрисосудистого ультразвука - 40 МГц. Соответственно, длина волны в ткани для 2 МГц соответствует 0,8 мм, для 7 МГц-0,2 мм.
