Microsoft Word Пособие Дем-Руб 2010. doc

1.2. Скорость и тепловые эффекты ультразвука 
С точки зрения физики ультразвука ткани человеческого тела близки по своим 
свойствам жидкой среде, поэтому давление на них ультразвуковой волны может быть 
описано как сила, действующая на жидкость. Звуковые волны являются механическими 
по своей природе, так как в основе их лежит смещение частиц упругой среды от точки 
равновесия. Именно за счет упругости и происходит передача звуковой энергии через 

---

7
ткань. Скорость распространения ультразвука зависит, прежде всего, от упругости и от 
плотности ткани. Чем больше плотность материала, тем медленнее должны 
распространяться в нем (при одинаковой упругости) ультразвуковые волны. Но к этому 
физическому параметру следует подходить с осторожностью. Скорость звука при 
прохождении его через разные среды биологического организма может быть различной. В 
таблице 1.2.1 представлены скорости распространения ультразвука в различных средах [1] 
Таблица 1.2.1 
Материал 
Скорость звука (м/с) 
Мягкие ткани (в среднем) 1540 
Головной мозг 1541 
Жир 1450 
Печень 1549 
Почка 1561 
Мышцы 1585 
Кости черепа 4080 
1.3. Затухание и поглощение ультразвука в биотканях 
Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с 
проходящей через него энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть 
поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем 
веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения 
частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от 
частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально 
квадрату частоты. Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом 
поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в 
облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается.
Интенсивность 
ультразвуковых 
колебаний 
в 
среде 
уменьшается 
по 
экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, 
теплопроводностью поглощающей среды и ее структурой. Его ориентировочно 
характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине 
интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 37%). При 
частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых 

---

8
тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани 
вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя 
уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего 
через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см. На рис. 
1.3.1 представлены зависимости коэффициентов затухания звука от частоты в различных 
тканях и биологических жидкостях. Теоретическая частотная зависимость затухания звука 
в некоторых мягких тканях и других биологических средах даётся выражением 
μ=bƒ
m
Было получено, что показатель степени т в данном выражении связан с возможными 
относительными вкладами различных механизмов затухания.
Рис. 1.3.1. 
Зависимости коэффициентов затухания звука от частоты в различных тканях и биологических 
жидкостях. 1-лёгкие; 2-кости черепа; 3-сухожилия; 4-кожа; 5-молочная железа; 6-скелетнвя 
мышца при распространении звука параллельно волокнам; 7-фиксированная сердечная мышца на 
частоте 100МГц; 8-мозг взрослого человека; 9-печень на частотах 1-10 МГц; 10- печень на частоте 
100МГц; 11-почка на частотах 100 и 220 МГц; 12-селезёнка; 13-семенники; 14-мозг ребенка; 15-
цельная кровь; 16-кистозная жидкость молочной железы (9,4 %-ный белковый раствор); 17-плаза 
крови; 18-10%-ныйраствор гемоглобина при температуре 25
°С; 19-диапазон значений растворов 
для аминокислот; 20-вода.

---

9
Как видно из рис. 1.3.1 [1], для большинства мягких тканей и биологических 
жидкостей человеческого организма значения т близки к единице. Экспериментальные 
исследования показали, что для некоторых тканей эти значения остаются неизменными в 
достаточно широком частотном диапазоне вплоть до тех частот, на которых 
существенную роль начинает играть поглощение в воде. В большинстве мягких тканей на 
частотах, превышающих 3 МГц, и при температурах выше 20°С затухание звука 
уменьшается с ростом температуры пропорционально корню квадратному из вязкости. На 
основании этого было заключению, что важную роль в этом процессе могут играть вязкие 
потери за счет относительного движения. При температурах ниже 20°С жировая ткань, а 
также и другие ткани характеризуются отрицательным температурным коэффициентом 
затухания, который спадает с ростом температуры значительно круче, чем корень 
квадратный из вязкости. На рис. 1.3.2 [1] представлены суммарные данные по 
поглощению и затуханию звука в тканях центральной нервной системы мыши, кошки и 
человека. 
Рис. 1.3.2. 
Изотермические зависимости параметра α/
ƒ2
от частоты для тканей центральной нервной системы. 
На частотах ниже 1 МГц представленные зависимости характеризуют поглощение звука в 
спинном мозге мыши, выше 1 МГц эти графики соответствуют затуханию звука в фиксированном 
мозге коровы. Результаты для затухания в мозге кошки на частоте 4,2 МГц в интервале 
температур от 30 до 50 °С, а также данные для мозга человека.