Page 10 - IFM_201402 całość 150 dpi

vol. 3 2/2014 Inżynier i Fizyk Medyczny 60
artykuł \ article ultrasonografia \ ultrasonography
czynników, takich jak wielkość i kształt, wzajemne przestrzenne od-
działywanie cząsteczek ośrodka oraz ciśnienie. Prędkość fal w tkan-
kach wiąże się również z ich stanem czynnościowymoraz składembio-
chemicznym tkanek. Prędkość rozchodzącej się fali ultradźwiękowej
zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości płynu w tkance i odwrotnie
– zmniejsza się, kiedy tkanka jest słabo ukrwiona.
Dla scharakteryzowania ośrodków sprężystych, wprowadza się
także pojęcie oporności akustycznej właściwej. Jest to reakcja ośrodka
na przemieszczającą się w nim falę ultradźwiękową. Pojęcie oporno-
ści akustycznej właściwej jest pomocne przede wszystkim w ilościo-
wym opisie odbicia fal ultradźwiękowych.
Fale sprężyste podlegają różnym zjawiskom fizycznym podczas
propagacji przez tkanki. Podstawowym zjawiskiem jest propagacja
fali ultradźwiękowej . Propagacja dotyczy przechodzenia i rozprze-
strzeniania się fal ultradźwiękowych w różnych tkankach. Znaczne
różnice w sposobie oddziaływania fali ultradźwiękowej z tkankami
powodują powstanie różnych fal. W tkankach miękkich fala rozcho-
dzi się w postaci fali podłużnej.
Zjawiska fizyczne
• Zjawisko odbicia fali ultradźwiękowej
Zjawisko zachodzące przy padaniu fal ultradźwiękowych na granicę
oddzielającą dwa ośrodki, w których warunki rozdzielenia tych fal są
różne, polegające na tym, że fala dochodząca do owej granicy nie
wnika do drugiego ośrodka, lecz pozostaje w pierwszym ośrodku
zgodnie z prawem załamania, zmieniając jedynie swój kierunek zgod-
nie z prawem odbicia. Fala zazwyczaj zostaje skierowana z powro-
tem. Ważnym pojęciem, które powinno być poruszone przy zjawisku
odbicia, jest zjawisko załamania.
• Impedancja akustyczna
Impedancja akustyczna to inaczej wspomniana już wcześniej opor-
ność akustyczna. Jest bardzo pomocna w ilościowym ujęciu zjawiska
odbicia, które następuje wówczas, gdy sąsiadujące ze sobą tkanki
mają różne oporności akustyczne. Im większa różnica w impedancji,
tym większe odbicie fali. Ze względu na niewielkie różnice w gęsto-
ści tkanek miękkich i płynów ustrojowych, echa uzyskane z tych ob-
szarów są również niewielkie. Niekiedy intensywne odbicie fali może
być pomocne w umiejscowieniu ciał stałych w tkankach miękkich
(np. kamienie żółciowe nerkowe, wkładka antykoncepcyjna). Jakość
otrzymywanych ech, a tym samym obrazów ultrasonograficznych,
zależy w znacznym stopniu od rodzaju powierzchni odbijającej oraz
jej położenia w stosunku do wiązki ultradźwiękowej. Energia uzyska-
nych fal powracających do głowicy ultradźwiękowej jest tym mniej-
sza, im większe jest odchylenie od prostopadłego przebiegu fal.
Jest to ściśle związane z jakością uzyskanych obrazów. W badaniach
ultrasonograficznych narządów wewnętrznych wiązka ultradźwię-
ków napotyka najczęściej struktury o nierównych powierzchniach.
• Zjawisko załamania
Fala ultradźwiękowa, przechodząc do drugiego ośrodka o innej
oporności akustycznej właściwej, zmienia kierunek swojego biegu.
Efekt ten nazywamy załamaniem fali. Wielkość odchylenia, jak wy-
nika z prawa załamania, zmienia się wraz z wartością kąta padania.
Zjawisko załamania fali ultradźwiękowej w tkankach miękkich jest
do pominięcia ze względu na porównywalne wartości ich oporności
akustycznej właściwej.
• Zjawisko ugięcia
Fala ultradźwiękowa rozchodząca się w danym ośrodku, w pobliżu
struktury o innej gęstości, może ulec ugięciu. Zjawisko to jest tym
silniejsze, im większa jest długość fali w porównaniu z wymiarami
przeszkody.
• Zjawisko interferencji
Ze względu na niejednorodność tkanek, poszczególne części wiązki
ultradźwiękowej przechodzą przez nie z różnymi prędkościami. Po-
wstają zatem różnice faz pomiędzy poszczególnymi częściami wiąz-
ki, a interferencja fal powoduje częściowe jej wygaszenie.
• Zjawisko rozproszenia
Rozpraszanie fal ultradźwiękowych polega na przemianie fali pier-
wotnej w zbiór fal rozchodzących się we wszystkich możliwych kie-
runkach. Zjawisko to zachodzi w wyniku oddziaływania z napotkany-
mi po drodze przeszkodami.
Rozpraszanie przyczynia się do osłabienia wiązki ultradźwiękowej
rozchodzącej się w tkankach. Gdy struktury rozpraszające mają wy-
miary porównywalne z długością fali ultradźwiękowej A , może wystą-
pić rozpraszanie Tyndala.
• Anizotropia
Anizotropia polega na uprzywilejowaniu pewnego kierunku rozcho-
dzenia się fali w tkance mięśniowej w zależności od układu włókien.
Zjawisko to daje gwarancję dobrej rozdzielczości, a niekiedy nawet
dobre uwidocznienie poszczególnych mięśni.
• Zjawisko absorpcji
Fale ultradźwiękowe są w tkankach nie tylko odbijane i rozprasza-
ne, lecz także przez nie pochłaniane. Pochłanianie ultradźwięków
można modelować, wyobrażając sobie cząsteczki wewnątrz danego
narządu jako źle napompowane piłki. Podczas zderzeń takich piłek
(zderzenia niesprężyste), dochodzi do strat energii kinetycznej, któ-
ra następnie jest zamieniana na ciepło. Utratę energii ultradźwięków
wskutek niesprężystych oddziaływań pomiędzy molekułami ośrodka
określa się jako absorpcję. Absorpcja powoduje, że amplituda oraz
natężenie fali ultradźwiękowej zmniejszają się w miarę wnikania fali
w ciało pacjenta. Absorpcja zależy od częstotliwości ultradźwię-
ków; rośnie wraz z częstotliwością. W przypadku wątroby czy ne-
rek omawiana zależność jest w przybliżeniu liniowa, tzn. absorpcja
ultradźwięków rośnie proporcjonalnie do ich częstotliwości. W wy-
niku tego wzrost częstotliwości ultradźwięków powoduje zawsze
szybszy spadek ich amplitudy (a więc i natężenia) w tkankach. Na
skutek absorpcji energia mechaniczna fali ultradźwiękowej zamie-
niana jest na ciepło.