Физические принципы ультразвуковой визуализации сердца. Физика ультразвука

Ультразвук — это звук с частотой более 20 000 колебаний в секунду (или 20 кГц). Скорость, с которой ультразвук распространяется в среде, зависит от свойств этой среды, в частности, от ее плотности. Скорость распространения ультразвука в тканях человека при температуре 37°С равна 1540 м/с. Звук имеет волновую природу и его распространение подчиняется тем же законам, что и процесс распространения света. Знание этих основных законов существенно для понимания принципиальных основ эхокардиографии.

Если плотность, структура и температура одинаковы по всей среде, то такая среда называется гомогенной. В ней волны распространяются линейно. Различные среды обладают различными свойствами, из которых для нас особенно важным является акустический-импеданс. Акустический импеданс равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны. Скорость распространения ультразвуковой волны в тканях практически постоянна, поэтому в эхокардиографии акустический импеданс является лишь функцией плотности той или иной ткани. Разные ткани: миокард, перикард, кровь, створки клапанов и т. д. — имеют разную плотность. Даже при незначительном различии плотностей между средами возникает эффект раздела фаз. Ультразвуковая волна, достигшая границы двух сред, может отразиться от границы или пройти через нее. При этом:

1) угол падения равен углу отражения;

2) угол преломления не равен углу падения.

Чем меньше угол падения (т. е. чем ближе направление распространения звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн. Доля отраженного ультразвука определяется тремя факторами:

1. разностью акустического импеданса сред — чем больше эта разность, тем больше отражение;

2. углом падения - чем ближе он к 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
большей частотой (т. е. с меньшей длиной волны).

Структуры, в которых происходит полное затухание ультразвуковых волн, иными словами, через которые ультразвук не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень [shadowing]; при исследовании сердца такой эффект дают калъцифицированные структуры и протезированные клапаны сердца.