Поглинання енергії ультразвука в біологічних об'єктах

Большое значение "Для поглощения энергии ультразвука в биологических объектах имеет коэффициент поглощения ультразвуковых волн различными тканями. Известно, что коэффициент поглощения зависит не только от частоты, но и от физической и химической структуры среды (Н. Н. Салов, С. Я. Соколов, 1935; Б. Г. Шпаковский, 1938; П. А. Бажулин, 1938; А. Н. Мандельштам и М. А. Леонтович, 1937; Б. Б. Кудрявцев, 1952). Коэффициент поглощения ультразвука при прочих равных параметрах, характеризующих их (например, частоты колебаний), зависит и от параметров среды, в которой распространяются ультразвуковые волны. На их поглощение главным образом влияет величина кинематической вязкости.

Поглинання ультразвука виникає не тільки в результаті наявності в'язкості, але у меншій мірі і у зв'язку з теплопровідністю. Відносно звуку взагалі це вперше було враховано Kirchoff (1866).

На чолі I указувалося, що за відсутності теплообміну між різними ділянками середовища процес розповсюдження ультразвука є адіабатичним. При цьому змінюється не тільки тиск і густина, але і температура середовища. Але за наявності теплопровідності між місцями стиснення, де температура підвищена, і місцями розрідження, де температура знижена, відбуватиметься обмін енергією, так що процес деформації тканин вже виявляється не строго адіабатичним і викликає додаткове загасання енергії ультразвука.

Таким чином, поглинання плоских ультразвукових хвиль рідини визначається і величиною в'язкості і теплопровідністю середовища.

Розповсюдження ультразвука в біологічних рідинах і тканинах супроводжується процесами релаксацій'. Один з процесів релаксацій полягає в перерозподілі енергії між різними ступенями свободи молекул під дією ультразвукових хвиль.

Числом ступенів свободи (i) називається число незалежних змінних, що визначають положення об'єкту в просторі. Поступальна хода будь-якої молекули в просторі здійснюється по трьох напрямах (три ступені свободи). Складні молекули, окрім цих трьох ступенів свободи поступальної ходи, мають два степені свободи обертального руху і ще два ступені свободи коливального руху (зближення і видалення атомів в молекулі і коливальні рухи самих молекул).

Завдяки цьому перерозподілу енергії між ступенями свободи молекул, що відбувається через сжатій і розріджень, що викликаються ультразвуковими хвилями, виникає поглинання їх енергії, що пояснює наявність дисперсії і аномального (молекулярного) поглинання. Його максимум співпадає з максимумом дисперсії, тобто має місце при частоті ультразвука (період звукової хвилі співпадає з часом релаксації т).

Аномальне поглинання ультразвука, на думку Parshad (1946, 1948), пояснюється тим, що в рідинах, де окремі молекули розташовані значно ближче, ніж в газах, тиск, створюваний ультразвуковою хвилею, обумовлює взаємне порушення електронних оболонок молекул, взаємну їх деформацію, що приводить до внутрішньомолекулярних коливань і тим самим до поглинання енергії. Оскільки взаємодія електронних оболонок молекул залежить від їх поляризації, в речовинах, що володіють високим коефіцієнтом поляризації, відбувається особливо сильне поглинання енергії ультразвука.

За даними Hall (1948), аномально високе поглинання ультразвука відбувається внаслідок того, що при проходженні ультразвукових хвиль молекули рідини зближуються і їх «упаковка» робиться щільнішою. При миттєвому зближенні молекул структурне ущільнення викликає порушення міжмолекулярних зв'язків, пов'язане з процесом релаксації.

Л. Н. Мандельштам і А. М. Леонтовіч (1937) запропонували теорію релаксації поглинання. Ця теорія описує нерівноважні процеси і суть її полягає у тому, що рівняння стану рідини, окрім тиску р, густини р і температури t, характеризується ще одним додатковим параметром ().

Параметр представляє показник концентрації збуджених молекул, що пов'язане з так званою структурною релаксацією. Можна вказати на ряд процесів в біологічних об'єктах, тривалість яких порівнянна з періодом впливаючої ультразвукової хвилі, наприклад асоціація і дисоціація молекул під дією ультразвука, полімеризація і деполімерізация біомакромолекул. Всі ці процеси характеризуються тим, що вони не повністю слідують за змінами тиску, температури або густини в ультразвуковій хвилі. Параметр ^учитывает це запізнювання, тобто враховує характер відхилення процесу від рівноважного. Це відхилення процесу від рівноважного приводить, в порівнянні із звичними втратами на в'язкість, до додаткових втрат ультразвукової енергії, тобто до збільшення поглинання ультразвукових хвиль; крім того, при цьому виникає явище дисперсії.

Слід зазначити, що через складну структуру біологічних рідин і тканин при дії на них ультразвукових коливань високої частоти можуть виникати різноманітні процеси релаксацій. Pohlmann (1949) вивчав поглинання ультразвукової енергії в тканинах трупа.

Товщина шаруючи напівпоглинання для м'язової і жирової тканини при частоті 800 кгц, за його даними, складає:

жирова ткань.6,8 см

м'язова ткань.3,

жирова і м'язова тканини разом 4,9 »

Якщо інтенсивність ультразвука на поверхні пласта м'язової тканини прийняти за 100%, то, за даними того ж автора, поступове зниження по відношенню до інтенсивності на поверхню, представляється в наступному вигляді:

36 мм—50%'; 70 мм —25;%:; АЛЕ мм—10%.

Horvath (1948) також знаходив в м'язовій тканині організму на глибині 5—7 см 25—35%' величини інтенсивності, діючої на поверхню. Величину, зворотну коефіцієнту поглинання а, називають завглибшки проникнення ультразвука — і виражають нею відстань, яка ультразвукові хвилі проходять перш ніж зменшитися до 0,27 від своєї первинної величини. У табл. 3 дані значення коефіцієнта поглинання а і глибини проникнення — для тканин тіла і води при частоті ультразвука в 1 мггц.

Таким чином, при частоті 1 мгц можна рахувати, що глибина проникнення для м'язової тканини приблизно рівна 5 см. Значно більше проникнення спостерігається при 100 кгц. На відміну від цього при частоті 100 мгц глибина проникнення в м'язову тканину настільки мала, що поглинання ультразвука відбувається в самих поверхневих шарах тканинного пласта.

Експерименти Pohlmann (1949), Pohlmann, Parow-Saouchon і Schlungbaum (1948), Huter (1948), Howath (1947), вироблені * на