Методы и приборы на основе взаимодействия акустических волн с биологическими тканями

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

Н. Н. ЧЕРНОВ
М. В. ЛАГУТА

А. Ю. ВАРЕНИКОВА

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2021

 

УДК 534.7
ББК 30.11

Ч-829

Печатается по решению кафедры электрогидроакустической 

и медицинской техники Института нанотехнологии, электроники

и приборостроения Южного федерального университета

(протокол № 24 от 26 февраля 2020 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор, генеральный директор 

ООО «НЕЛАКС» C. П. Тарасов

доктор медицинских наук, профессор кафедры интегративной медицины 

Первого МГМУ им. И. М. Сеченова Л. В. Смекалкина

Чернов, Н. Н.

Ч-829
Методы и приборы на основе взаимодействия акустических волн с 

биологическими тканями : учебное пособие / Н. Н. Чернов, М. В. Лагута, 
А. Ю. Вареникова ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; 
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 109 с.

ISBN 978-5-9275-3801-0
В учебном пособии изложены основные теоретические положения о мето
дах диагностики, применяемых в медицинских акустических приборах, приведены 
описания датчиков и основных блоков медицинских приборов. Содержатся вопросы проведения медицинских функциональных и клинических исследований на 
основе взаимодействия акустических полей с биологическими объектами. Рассмотрены различные виды акустических диагностических и терапевтических методов, основанных на различных механизмах взаимодействия акустических волн 
с биологическими объектами. Приведены образцы заданий для выполнения практических работ, контрольные вопросы и список литературы.

Пособие предназначено для освоения курса «Акустические методы и при
боры в медицине» студентами направлений подготовки 12.03.01 «Приборостроение» и 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» при подготовке к практическим занятиям и для самостоятельного изучения курса. 

УДК 534.7
ББК 30.11

ISBN 978-5-9275-3801-0

© Южный федеральный университет, 2021
© Чернов Н. Н., Лагута М. В., Вареникова А. Ю., 2021
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2021

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………...
5

Глава 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С 
БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ ………………………………...
7

1.1. Линейное взаимодействие акустических волн с биотканями
7

1.2. Прохождение, отражение и преломление УЗ-волны, проходящей через слоистую биосреду …………………………………..
8

1.3. Затухание УЗ в биологических тканях ………………………..
10

1.4. Дифракция, интерференция и рассеяние УЗ на неоднородностях в биологических тканях ………………………………………
12

1.5. Воздействие мощным ультразвуком на биологические ткани
14

1.5.1. Нелинейное взаимодействие ультразвука с биологическими тканями ………………………………………………………….
14

1.5.2. Кавитация в биологических тканях …………………………
20

1.6. Сонолюминесценция …………………………………………..
22

Глава 2. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
24

2.1. Введение ………………………………………………………..
24

2.2. Ультразвуковые методы медицинской интроскопии ………..
25

2.2.1. Эхолокационные методы визуализации …………………….
25

2.2.2. Разрешающая способность В-режима сканирования …..
30

2.3. Теневые методы ультразвуковых исследований в медицине
31

2.3.1. Трансмиссионная ультразвуковая энцефалография ……..
31

2.3.2. Ультразвуковая денситометрия …………………………….
33

2.4. Допплеровские методы изучения гемодинамических параметров ……………………………………………………………….
35

2.4.1. Физические основы и описание метода …………………….
35

2.4.2. Принципы построения аппаратуры допплеровской группы 
методов ……………………………………………………………………
37

2.5. Ультразвуковая томография …………………………………..
40

2.5.1. Классификация методов ультразвуковой томографии …
40

2.5.2. Эхолокационная ультразвуковая томография (С-режим)
41

2.5.3. Метод синтезированной апертуры в акустической томографии …………………………………………………………………
42

2.5.4. Классификация методов реконструктивной томографии
45

Содержание

4

2.5.5. Лучевая реконструктивная томография …………………..
47

2.5.6. Дифракционная (волновая) реконструктивная томография
50

2.6. Ультразвуковая микроскопия …………………………………
51

Глава 3. ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУК …………………...
55

3.1. Введение ………………………………………………………..
55

3.2. Ультразвуковые терапевтические приборы ………………….
57

3.3. Методики на основе тепловых эффектов терапевтического 
воздействия ультразвука …………………………………………...
59

3.3.1. Тепловое воздействия ультразвука на биологические ткани
59

3.3.2. Биологические эффекты теплового воздействия ультразвука на коллагенсодержащие ткани ………………………………..
62

3.4. Методики на основе нетепловых эффектов терапевтического 
воздействия ультразвука …………………………………………...
63

3.5. Лекарственный фонофорез ……………………………………
65

3.6. Пунктуационная ультразвуковая терапия ……………………
66

3.7. Ультразвуковая аэрозольтерапия ……………………………..
67

Глава 4. УЛЬТРАЗВУК В ХИРУРГИИ …………………………….
70

4.1. Классификация ультразвуковых хирургических методов …..
70

4.2. Методы на основе воздействия фокусированного ультразвука
70

4.3. Инструментальная ультразвуковая хирургия ………………..
73

4.3.1. Ультразвуковая резка биологических тканей ……………..
73

4.3.2. Ультразвуковое сверление костной ткани …………………
75

4.3.3. Ультразвуковая сварка биологических тканей ткани …...
77

4.3.4. Ультразвуковая трепанация ………………………………….
79

4.3.5. Ультразвуковая эндартерэктомия ………………………….
81

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ……………………………..
84

5.1. Практическая работа № 1. Технические характеристики преобразователей для медицинских акустических приборов ……….
84

5.2. Практическая работа № 2. Ультразвуковые сканирующие системы в медицинской диагностике ………………………………..
91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………
103

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………...
104

ВВЕДЕНИЕ

Применение акустических методов в медицинской практике из
вестно с начала прошлого века. Впервые в начале XX в. выдающийся французский физик-экспериментатор Поль Ланжевен случайно обнаружил активное воздействие ультразвука на аквариумных рыбок, с чего и началось 
исследование биологического действия ультразвука. В 30-х гг. XX в. были 
сделаны первые попытки использовать ультразвук в терапии для лечения 
заболеваний уха у людей, а в 1934 г. советский отоларинголог Е. И. Анохриенко использовал ультразвуковой метод в терапевтической практике
для комбинированного лечения ультразвуком и электрическим током. 
В настоящее время ультразвук широко применяется в физиотерапии и завоевал славу весьма эффективного средства.

Прогресс в области разработки гидроакустических средств обнару
жения подводных объектов и создание электронных систем обработки гидролокационных сигналов в середине прошлого века стимулировали развитие 
ультразвуковой диагностики. В настоящее время ультразвуковые интроскопические обследования ежегодно проходят десятки миллионов пациентов. 
Разработки в области генерации мощного сфокусированного ультразвука
позволили создать неинвазивные хирургические аппараты–литотрипторы, 
успешно применяемые для разрушения опухолевых образований и конкрементов в глубине организма без нарушения целостности покровных тканей, для раздражения или разрушения отдельных нервных структур. Ультразвуковые хирургические скальпели и специальные ультразвуковые инструменты широко используются для рассечения мягких, хрящевых и костных тканей, для удаления катаракты, в косметологии для удаления лишних 
жировых отложений, для санации ран и полостей. 

В учебном пособии на основе современного биофизического подхода 

к рассмотрению процессов взаимодействия акустических колебаний с биологическими объектами проанализированы результаты исследований и 
практического использования ультразвука в медицине, показаны пути оптимизации известных ультразвуковых методов и возможности новых областей применения ультразвука в диагностике, хирургии и терапии.

Учебное пособие призвано помочь будущему исследователю, инже
неру и врачу лучше разобраться в механизмах лечебного действия ультра

Введение

6

звука, глубже понять возможности диагностических ультразвуковых методов, природу ультразвукового ускорения биофизических процессов. В пособии приведены ссылки на публикации, обобщающие результаты различных 
исследований в области биофизики ультразвука, исследований применения 
акустических полей в диагностике и терапии.

Учебное пособие рекомендовано студентам и аспирантам, изучаю
щим курс «Акустические методы и приборы в медицине», а также специалистам, работающим в области ультразвуковой диагностики, физиотерапии, хирургии, физикам-акустикам, биофизикам, разработчикам ультразвуковой медицинской аппаратуры.

 

1.1. Линейное взаимодействие акустических волн с биотканями

7

Глава 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ

1.1. Линейное взаимодействие акустических волн с биотканями

К слабым воздействиям относится облучение биологических тканей 

ультразвука (УЗ) интенсивностью до 0,2 Вт/см2. Такие взаимодействия 
описываются линейными уравнениями, аналогичными уравнениям гидроакустики. 

Уравнение движения представляет собой выражение закона сохра
нения импульса (второй закон Ньютона для сплошных сред) и выглядит 
следующим образом [1, 2]:

ρ [

∂v

∂t + (v∇)v] = −∇p,
(1.1)

где u – колебательная скорость частиц среды; р – линейное возмущение 
давления, связанное с возмущением скорости частицы v; ρ – плотность невозмущенной жидкости; t – независимая временная координата; ∇ – вектор
ный дифференциальный оператор Набла: ∇=

𝜕

𝜕𝑥 𝑖⃗ +

𝜕

𝜕𝑦 𝑗⃗ +

𝜕

𝜕𝑧 𝑘⃗⃗.

Закон сохранения массы отражает уравнение непрерывности [2]:

𝜕𝜌

𝜕𝑡 + 𝑑𝑖𝑣 𝜌𝑣 = 0.  
(1.2)

Закон, выражающий молекулярные свойства конкретного вещества, 

нашел отражение в уравнении состояния, записывающегося в общем виде 
следующим образом [2]:

𝑝 = 𝑝(𝜌).
(1.3)

Уравнение (1.3) выражает взаимосвязь между давлением и плотно
стью, и для вещества, имеющего термодинамические свойства идеального 
газа принимает вид [1, 2]:

𝑃

𝑃0 = (

𝜌

𝜌0)

𝛾
,
(1.4)

где 𝛾 =

𝑐𝑝
𝑐𝑣 – постоянное соотношение теплоемкостей, зависящее от числа 

атомов в молекуле.

Решение данной системы уравнений позволяет получить волновое 

уравнение, описывающее линейные процессы взаимодействия УЗ с биотканями [1, 2]:

 

Глава 1. Взаимодействие акустических волн с биологическими тканями

8

𝜕2𝜑

𝜕𝑡2 − 𝑐0

2∆𝜑 = 0,
(1.5)

где с0

2 =

𝛾𝑝0
𝜌0 .

Полученное уравнение позволяет описать процесс распространения 

слабой УЗ-волны через биоткань.

1.2. Прохождение, отражение и преломление УЗ-волны, 

проходящей через слоистую биосреду

По акустическим свойствам биологические объекты можно отне
сти к слоистым средам, имеющим различные акустические характеристики для каждого слоя. Одной из таких характеристик является акустический импеданс Z, представляющий собой произведение скорости звука 
c и плотности ρ для конкретного слоя. Это одна из важнейших характеристик биологических сред.

Линейные эхолокационные методы акустической визуализации 

внутренних структур биологических объектов основываются на отражении 
акустического излучения от границ раздела сред, имеющих разный акустический импеданс. Его различие определяет характер отражения УЗ-волны 
от границы раздела сред. 

При этом коэффициенты прохождения и отражения при вертикаль
ном падении описываются выражениями [3]:

𝑇 =

2𝑍2

𝑍2+𝑍1,
(1.6)

𝑅 =

𝑍2−𝑍1
𝑍2+𝑍1.
(1.7)

При падении под углом:

𝑡 =

4 𝑍1𝑍2 cos(𝜃) cos(𝜑)

(𝑍2 cos(𝜃)+𝑍1 cos(𝜑))2,
(1.8)

𝑟 = (

𝑍2 cos(𝜃)−𝑍1 cos(𝜑)

𝑍2 cos(𝜃)+𝑍1 cos(𝜑))

2
.
(1.9)

Схема преобразования УЗ-волны при прохождении через границу 

раздела слоев биоткани приведена на рис. 1.1.

1.2. Прохождение, отражение и преломление УЗ-волны, проходящей…

9

φ

θ

Жировая 

ткань

Мышечная 

ткань

cl1

cl2

cl1
ct1

ct2

Рис. 1.1. Преобразование УЗ-волны 

при прохождении через границу раздела слоев

На рис. 1.1: cl1 – падающая и отраженная продольные УЗ-волны; ct1 –

поперечная отраженная волна, возникшая в результате трансформаций;
cl2 – прошедшая продольная волна; ct2 – прошедшая поперечная волна, индекс l – продольные волны; t – поперечные. 

При прохождении УЗ через границы раздела сред также важными 

параметрами являются: первый критический угол, при котором преломленная продольная волна не проходит во вторую среду [3]:

𝛽кр1 =

𝑎𝑟𝑐 sin(𝑐𝑙1)

𝑐𝑙2
,
(1.10)

второй критический угол – угол, при котором поперечная волна начинает 
скользить вдоль границы раздела сред:

𝛽кр2 =

𝑎𝑟𝑐 sin(𝑐𝑙1)

𝑐𝑡2
,
(1.11)

где c1, с2 – скорости УЗ для первой и второй среды соответственно.

В табл. 1.1 приведены значения плотности, скорости звука и акусти
ческого импеданса для веществ, которые исследуются в медицинской акустике [3, 4].

Таблица 1.1

Параметры некоторых сред, исследуемых в медицинской акустике 

при температуре 37о

Вещество
Плотность 

(кг/м3)
Скорость звука (м/с)
Акустический 

импеданс

Этиловый спирт
789
1119
0,883

Глава 1. Взаимодействие акустических волн с биологическими тканями

10

Окончание табл. 1.1

Вещество
Плотность 

(кг/м3)
Скорость звука (м/с)
Акустический 

импеданс

Жировая ткань
950
1450
1,38

Вода
993
1527
1,516

Мозг
1030
1540
1,07

Кровь
1060
1530
1,62

Печень
1060
1560
1,65

Почка
1070
–
1,13

Мышечная ткань
1070
15601620
1,13–1,18

Кость
1200–1800
2500–4300
2,5-5,0

1.3. Затухание УЗ в биологических тканях

Также процесс линейного распространения УЗ-волны через биот
кань до определенной интенсивности предполагает преобладание, а значит 
и учет процессов затухания излучения за счет процессов рефракции, поглощения, отражения и рассеяния. Затухание существенно влияет на акустическое изображение и определяет максимальную глубину, на которой 
можно получить изображение для определенных параметров излучения.

Процесс поглощения УЗ тканями обусловлен их вязкостью и тепло
проводностью. Также дополнительное затухание возникает из-за расхождения луча, что приводит к увеличению его площади сечения с расстоянием. Процесс затухания, вызванный отражением, определяется не только 
свойствами, геометрическими размерами и пространственным распределением неоднородностей [3, 4].

Для случая однородных сред известно, что механизмы, отвечающие 

за преобразование акустической энергии в другие виды, следовательно, 
приводящие к затуханию волны, называются релаксационными. Выражение, характеризующее поглощение УЗ на определенной частоте при одиночном процессе релаксации, выглядит следующим образом [3]:

𝛼𝑅
𝑓2 =

𝐴

1+( 𝑓

𝑓𝑅)

2,
(1.12)

где 𝐴 = 2[(𝛼𝑅𝜆)макс/𝑐𝑓𝑅] – константа, которая определяется максимальным 
значением произведения длины волны на коэффициент поглощения или поглощения за период (αRλ), со скоростью звука и частотой релаксации fR.