Ультразвуковая ангиология - часть 10

ФИЗИЧЕСКИЕ И КЛИНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕМОДИНАМИКИ 

44 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

ГЛАВА III 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 

РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ 
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

Физика ультразвука 

Звук по своей физической сути является меха-

нической волной с продольным распространением. 

Для распространения ультразвука необходим мате-

риальный субстрат (вещество), при этом колебания 
передаются от одной субстратной единицы (части-
цы вещества) к другой, т. е. осуществляется «пере-
нос» энергии. Имея волновую природу, звук в пол-
ной мере подчиняется всем тем законам, которые 
применимы к другим волновым процессам, напри-
мер свету. Основными характеристиками ультразву-
ковой волны являются длина, амплитуда, частота, пе-
риод, скорость. 

Частота (f) - число полных колебаний за едини-

цу времени. Если в качестве единицы времени при-
нимается секунда, то мерой частоты является Герц 
(1 Гц=1/с). В зависимости от частоты все звуковые 
колебания могут быть разделены на инфразвуковые, 
слышимые, ультразвуковые (рис. 3.1). В медицинской 

диагностической практике в основном используются 

частоты от 1 до 25 МГц, в ангиологии - от 1 до 15 МГц. 

Период (Т) - время, за которое осуществляется 

одно полное колебание. Единицей измерения пери-
ода является секунда (с) или ее производные: 1 мил-

лисекунда (мс) равна 1

.

10

-З

с, 1 микросекунда(мкс)-

1

.

10

-6

с и т. д. Период - величина, обратная частоте: 

Длина волны (Я) - длина одного полного колеба-

ния в пространстве (или расстояние между крайними 
точками полного колебания). Единицей измерения дли-
ны волны является 1 метр (м) или его производные: 

1 сантиметр (см) равен 1

.

10

-2

 м, 1 миллиметр (мм)-

1

.

10

-3

м, 1 микрометр (мкм) - 1

.

10

-6

м и т. д. (рис. 3.2). 

Скорость распространения волны (с) является 

важной характеристикой ультразвуковой волны, из-
меряется в метрах в секунду (м/с) или производных 

величинах (мм/с, см/с и т. д.), зависит от характери-
стик среды (температуры, давления, плотности и пр.) 
и соответственно неодинакова в разных тканях 
(табл. 3.1). 

Рис. 3.2. Частота, длина волны и период колебания. 
Время 3 полных колебаний -1 с, следовательно, частота - 3 Гц. 

Таблица  3 . 1 . Скорость звука и акустический импеданс для различ-

ных тканей [1-3, 5] 

Ткань 

Скорость звука, 

м/с 

Акустический 

импеданс, 

кг/(м

2.

с) 

Воздух 

330 

0,0004 

Жир 

1450 

1,38 

Вода (20"С) 

1480 

1,48 

Тканевая жидкость 

1500 

1,5 

Стекловидное тело глаза 

1520 

1,52 

Мозг 

1540 

1,58 

Мягкие ткани (в среднем) 

1540 

1,63 

Печень 

1550 

1,65 

Почки 

1560 

1,62 

Кровь 

1570 

1,61 

Мышцы 

1580 

1,7 

Кости 

3500 

7,8 

Рис.  3 . 1 . Классификация звука по частоте. 
* Имеются отдельные сообщения о применении в диагностической практике 
ультразвука более высокой частоты (до 30-35 и даже 100 МГц). 

Частота, длина и скорость рас-

пространения волны связаны меж-

ду собой: 

Плотность ткани (р масса на 

единицу объема вещества, едини-
ца измерения - кг/м

3

), а также ее уп-

ругость (эластичность), определяют 
степень сопротивления при распро-

45 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

странении ультразвуковой волны (Z), называемую так-
же акустическим импедансом (который можно срав-
нить с сопротивлением электрической сети). Значе-
ния акустического импеданса тканей также различны 
(см. табл. 3.1), а его величина зависит от скорости рас-
пространения волны [1-4]: 

Учитывая близкие показатели температуры и дав-

ления в тканях человека, для приборной обработки 

используют стандартизованный показатель скорости 
распространения в среде - 1540 м/с. Именно это зна-
чение заложено во все расчетные параметры [5, 6]. 

Амплитуда ультразвуковой волны (А) - это вели-

чина максимального отклонения колебания от изо-
линии. Единицей измерения амплитуды является 1 м 
или его производные (рис. 3.3). 

Рис. 3.3. Амплитуда ультразвуковой волны. 

Описанные данные справедливы для звуковых волн 

с постоянными характеристиками, применяемыми в 
постоянно-волновых режимах сканирования. Однако 
существуют и широко применяются в практике импуль-
сные ультразвуковые волны, имеющие, помимо озна-
ченных выше, собственные характеристики (рис. 3.4). 

Рис. 3.4. Пространственные и временные характеристики 
импульсных ультразвуковых волн. 
λ-длина волны; SPL-пространственная протяженность им-
пульса; Τ - период колебания, PD - продолжительность им-
пульса; PRP - период повторения импульса. 

Продолжительность (pulse duration, PD) харак-

теризует время импульса: 

где n

t

 - количество полных колебаний в одном им-

пульсе. 

Частота повторения импульсов (pulse repetition 

frequency, PRF) - количество импульсов (n

2

) в еди-

ницу времени (обычно за 1 с): 

где n

2

 - количество импульсов. 

Период повторения импульса (pulse repetition 

period, PRP) - величина, обратная PRF, характери-
зующая время от начала одного импульса до начала 
следующего: 

Выделяется также пространственная протяжен-

ность импульса (spatial pulse lenght, SPL), т. е. осе-
вая длина полного импульса (см. рис. 3.4) [7-9]. 

Распространение ультразвуковых волн в среде 

сопровождается переносом энергии (единица изме-
рения - Джоуль, J), что косвенно выражается в воз-
никновении тепловых эффектов. Мощность акустичес-
кой энергии (количество переносимой механической 
энергии в джоулях за единицу времени, U), измеря-
ется в ваттах (1 BT=1J-C

- 1

). Акустическая энергия рас-

пределяется по площади (S), через которую распрос-

траняется и зависит от ее величины. Количество энер-

гии на единицу площади распространения за едини-
цу времени определяется как интенсивность (I) ульт-
развукового потока. Она измеряется в ваттах на квад-
ратный сантиметр (Вт/см

2

, мВт/см

2

) [7]: 

Необходимость представления об интенсивно-

сти ультразвука обусловлена требованиями обеспе-
чения безопасности проводимых исследований, так 
как данная величина определяет эффекты ультразву-
ка в среде [9-16]. 

Для измерения интенсивности ультразвука в 

связи с большим разбросом величин часто исполь-
зуют относительные единицы (децибеллы, дБ), ха-
рактеризующие затухание ультразвука в среде из-за 
эффектов отражения, поглощения и рассеивания. 
Данная величина (δ) характеризует отношение интен-
сивности ультразвука (/) к некоторой стандартной ин-
тенсивности (I

0

): 

Степень затухания ультразвука характеризуется 

коэффициентом затухания (величина уменьшения 
интенсивности сигнала на единицу пути его распрос-
транения), измеряемым в дБ/см. Существует также 
понятие расстояния двукратного ослабления (рассто-
яние от излучателя, на котором интенсивность умень-
шается в 2 раза). Величина затухания зависит от час-
тоты излучения и глубины (табл. 3.2 и 3.3) [5-8, 17]. 

С увеличением расстояния интенсивность ульт-

развука значительно снижается (рис. 3.5) [7]. 

Основными физическими эффектами взаимо-

действия ультразвука с частицами вещества, в кото-

ром он распространяется, являются отражение, пре-

ломление, рассеяние и поглощение [18]. 

46 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

Таблица 3.2. Характеристики затухания ультразвука в зависимос-
ти от частоты 

Частота 

(МГц) 

Средний 

коэффициент 

затухания 

в мягких 

тканях 

Уменьшение 

интенсивности 

сигнала 

на глубине 

1 см, % 

Уменьшение 

интенсивности 

сигнала 

на глубине 

10 ом, % 

1 

1 

21 

90 

2 

2 

37 

99 

3 

3 

50 

99.09 

5 

5 

68 

99.999 

7 

7 

80 

99.99999 

10 

10 

90 

99.99999999 

Таблица 3.3. Коэффициент затухания и расстояние двукратного ос-
лабления ультразвука в различных тканях (частота 1 МГц*) 

Ткань 

Коэффициент 

затухания, 

дБ/см 

Расстояние 

двукратного 

ослабления, см 

Вода 

0,002 

1500 

Кровь 

0,2 

15 

Мозг (новорожденного) 

0,3 

10 

Жир 

0,6 

5 

Мягкие ткани (в среднем) 

0,7 

4,3 

Печень 

0,7 

4,3 

Мозг (взрослого) 

0,8 

3,8 

Мышцы 

1,5 

2 

Кости 

10,0 

0,3 

Воздух 

38 

0,08 

Легкие 

40 

0,075 

*Коэффициент затухания для других частот может быть получен пу-

тем умножения приведенных величин на частоту (в МГц), а расстоя-

ние двукратного ослабления - путем деления на частоту (в МГц). 

Рис. 3.5. Затухание ультразвука в среде (зависимость ве-

личины относительной интенсивности от расстояния). 
X

 1/2

 - расстояние двукратного снижения интенсивности. 

Отражение - изменение направления распрост-

ранения ультразвуковой волны на границе раздела 
сред на противоположное. Именно данное свойство 

лежит в основе принципа получения ультразвуковых 

изображений. Как уже говорилось выше, существен-
ное влияние на характер изменения распространения 

ультразвука оказывает акустическая плотность (импе-
данс) среды (рис. 3.6). Граница раздела сред в отно-

шении прохождения ультразвуковой волны формиру-
ется за счет разницы их акустической плотности. На 
границе раздела сред часть энергии ультразвуковой 

Рис. 3.6. Граница раздела сред. 

Ζ

1

, Z

2

 - акустические импедансы сред 1 и 2;

 r

1

 r

2

 - плотнос-

ти сред; с

1

, с

2

 - скорости распространения ультразвука. 

волны отражается, формируя отраженную волну, часть 
распространяется далее. Суммарная энергия отражен-
ного и прошедшего через границу раздела сред ульт-
развука (пренебрегая тепловыми энергетическими 
потерями) равна энергии первоначального падающе-
го потока (рис. 3.7), что обусловлено законом сохране-
ния энергии. Данное положение может быть прямо эк-
страполировано на показатели интенсивности падаю-
щей (I), прошедшей (I

1

) и отраженной (I

2

) волн [8,17]: 

Направление дальнейшего распространения от-

раженной и прошедшей ультразвуковых волн зависит 
от угла падения первоначальной волны на границу 

Рис. 3.7. Сохранение энергии ультразвукового потока на 
границе раздела сред. 

раздела сред, а амплитуда (отражающая энергию) в 
свою очередь определяется интенсивностью перво-
начального сигнала и разницей акустических импе-

дансов. Угол падения ультразвуковой волны всегда 

равен углу отражения. Угол прошедшей волны отли-
чается от углов падающей и отраженной волн, что оп-
ределяется как преломление (изменение направления 
распространения волн при переходе границы разде-

ла сред) (рис. 3.8). Углы падения, отражения и пре-
ломления равны только в случае строго перпендику-
лярного распространения по отношению к границе 

раздела сред и составляют 90°. В этом случае можно 
говорить об отсутствии преломления. Угол преломле-
ния (Θ) при наклонном падении ультразвуковой волны 
зависит от величины угла падения (а) и скоростей рас-
пространения ультразвука в средах (с

1

, с

2

), на грани-

це которых преломление произошло. Данная зависи-
мость описывается уравнением Снелля [6, 8]: 

47