Отражение и преломление УЗ

Малая длина волны является причиной того, что распространение ультразвуковой волны можно описывать законами геометрической оптики.

В однородной среде или в случае неоднородных сред при падении УЗ по нормали к поверхности раздела УЗ луч распространяется прямолинейно.

При падении луча под углом к поверхности раздела (Рис. 5):

Рис. 5

а) угол отражения α₁ равен углу падения α;

б) отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β обратно пропорционально отношению волновых сопротивлений сред:
sinα/sinβ = Z₂/Z₁; (sinα/sinβ = v₂/v₁).

При этом, чем меньше угол падения, тем меньше доля отраженных от границы раздела УЗ волн и больше доля преломлённых (прошедших в другую среду).

Следует отметить, что в случае эхолокации, когда отражённый луч должен вернутся по тому же направлению, что и падающий, максимальная интенсивность будет тогда, когда луч падает по нормали к границе.

Коэффициент отражения

Отражение УЗ на границе раздела сред характеризуется коэффициентом отражения:

К_отр = I_отр/I_пад

где Ι_отр - интенсивность отраженной волны, I_пад - интенсивность падающей волны.

Интенсивность отражённого УЗ определяется тремя факторами:

1) разностью волновых сопротивлений сред - чем больше эта разность, тем больше отражение;

2) углом падения - чем ближе он к π/2 (90°), тем больше отражение;

3) соотношением размеров объекта и длины волны – размеры объекта должны быть не менее 1/4 длины волны. Для измерения меньших объектов требуется ультразвук с меньшей длиной волны.

Если I₁ I₂ – средние по времени интенсивности падающей и отраженной волн, то выражение для коэффициента отражения по интенсивности при нормальном падении имеют вид:

К_отр = I₂/I₁ = (Z₂-Z₁)²/(Z₂+Z₁)²

В табл. 3 приведены типичные значения коэффициентов отражения (в %) для границ между различными средами.

Таблица 3

Граница сред	Котр в %
Мягкие ткани – воздух	99,9
Вода – сталь
Мышца – жир	10,0
Мышца – кость	64,0
Мозг – кость черепа	66,0
Воздух – мягкие ткани	99,95
Воздух – кожа	99,9

В табл. 3 приводятся значения коэффициента отражения УЗ волны на границе биологических сред, в предположении, что падающая УЗ волна распространяется перпендикулярно плоской границе сред.

Из табл. 3, также следует, что для мягких тканей коэффициент отражения по амплитуде не превышает 10%, снижаясь иногда до нуля, если соседствующие ткани не отличаются по акустическому сопротивлению. В последнем случае их граница не может быть обнаружена (К_отр = 0).

Энергия (Е) падающей ультразвуковой волны распределяется между преломленной и отраженной волнами. Энергия отраженной (Е_отр) и преломленной (Е_прел) волн рассчитываются через коэффициент отражения К_отр (0 < К_отр < 1):

Е_отр = К_отр Е, Е_прел = (1 - К_отр) Е.

Особо следует сказать об отражении от кожи. Необходимо учитывать то обстоятельство, что кожа состоит из разных по влагосодержанию тканей. Так, поверхностный слой кожи (эпидермис) содержит мало влаги и не может быть отождествлен с этой точки зрения с мягкими тканями и, тем более с водой. Необходимо также учитывать небольшую толщину эпидермиса. Не исключено, что по этой причине эпидермис не может быть серьезным препятствием для распространения ультразвука в более глубокие слои кожи.

Акустическое окно

Наличие акустического окна, создаваемого жидкостными образованиями, значительно облегчает визуализацию расположенных за ним анатомических структур. На этом акустическом эффекте основана методика наполненного мочевого пузыря, используемая при исследовании органов малого таза.

Более высокий коэффициент отражения на границе жировых тканей с другими мягкими тканями иллюстрирует известный специалистам факт, что наблюдение структур, расположенных за многочисленными жировыми прослойками, сопряжено с определенными трудностями. Энергия УЗ волны, прошедшей границу жир - мягкие ткани, меньше, чем после прохождения границы других мягких тканей, и наряду с расфокусировкой УЗ луча в жире это приводит к уменьшению уровня сигнала от структур, расположенных на больших глубинах.

Отражения от границы мягкая ткань - камни (печени, почек или желчного пузыря) могут меняться в широких пределах в зависимости от вида камня и его акустического сопротивления. Чем плотнее камень и чем больше скорость звука в нем, тем больше уровень отражения на его границе и тем легче его обнаружить. При большом акустическом сопротивлении камня отражения от него могут быть очень высокого уровня, так что в результате за ним образуется область акустической тени, т.е. область с низким уровнем отраженных сигналов, что обусловлено малым уровнем энергии прошедшей через камень УЗ волны. Наличие акустической тени является одним из диагностических признаков наличия камня в органах.

Если камень имеет структуру, близкую к структуре мягких тканей, то обнаружить его иногда затруднительно вследствие малого уровня отраженного сигнала. Это случай акустически прозрачного плохо диагностируемого камня. Однако такие камни хорошо выявляются с помощью рентгеновской диагностики.

Уровень отражения на границе мягкая ткань - костная ткань тоже может меняться в определенных пределах в зависимости от вида костной ткани. Однако в большинстве случаев этот уровень велик, вследствие чего отраженная волна может быть большей мощности, чем волна, прошедшая далее. Помимо этого костная ткань в силу специфичности своего строения расфокусирует УЗ луч, проходящий через нее. Все это существенно затрудняет возможность наблюдения структур, находящихся за костными тканями. По этой причине в кардиологии используются секторные и микроконвексные датчики, малая рабочая поверхность которых позволяет наблюдать сердце через межреберную щель. По той же причине трудно получить двухмерное изображение мозга приемлемого качества при наблюдении через кости черепа, и только в неонтологии можно получать полноценное двухмерное изображение мозга новорожденных сканированием через родничок.

Вследствие практически полного отражения на границе газовых образований и мягких тканей газосодержащие структуры (легкие, желудок, кишечник), а также ткани, находящиеся за этими структурами, с помощью ультразвука исследовать почти невозможно, что является серьезным ограничением для УЗ диагностики. Рассматривая отражение на границе мягких тканей с различным акустическим сопротивлением, заметим, что границы неоднородностей располагаются под произвольным углом к направлению распространения ультразвука (совпадающему с осью УЗ луча). Поэтому основная энергия отраженного сигнала может распространяться не в сторону датчика, что ухудшает возможности наблюдения. Положение облегчается тем, что границы

неоднородностей, как правило, не являются гладкими, и, следовательно, отраженные от них УЗ волны распространяются в различных направлениях, в том числе и в направлении на датчик, что обеспечивает прием эхо-сигналов и получение акустического изображения.

Чаще всего неоднородности в мягких тканях имеют сложную форму и различные размеры, причем их ориентация носит случайный характер. УЗ изображения в основном формируются волнами, рассеянными на относительно мелких структурах

При диагностических УЗ-методах поверхность кожи пациента покрывают водным желе или вазелином, чтобы увеличить проникновение УЗ в ткани, т.к. если между УЗ-излучателем и кожей человека будет воздушная прослойка, то ультразвук практически не проникнет внутрь, т.е. почти полностью отразится от границы воздух-кожа (волновое сопротивление биологической среды более чем в 3000 раз больше, чем волновое сопротивление воздуха).

При лечении частей тела сложных конфигураций, например, колен или локтей, облучение можно проводить при погружении тела в ванну с водой или с использованием акустически прозрачных мешков с водой. Мешок может принимать форму облучаемой части тела, а акустический контакт с кожей осуществляется через слой контактного вещества.

УЗ-волны обладают высокой отражательной способность на границе мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов.

Современная эхография позволяет регистрировать сигналы от границ, различающихся по волновому сопротивлению - Z на 1%.

Эффективная диагностика выбранного объекта-мишени возможна лишь при нормальном падении УЗ луча к его границам. Это предопределяет многообразие типов преобразователей и форматов визуализации.

Перечислим факторы, которые приводят к ослаблению уровня эхо-сигнала при отражении:

- малые размеры мишени,

- неровности и кривизна отражающих границ,

- плавность изменения Z.