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 во-
просы проведения медицинских функциональных и клинических исследований на 
основе взаимодействия акустических полей с биологическими объектами. Рас-
смотрены различные виды акустических диагностических и терапевтических ме-
тодов, основанных на различных механизмах взаимодействия акустических волн 
с биологическими объектами. Приведены образцы заданий для выполнения прак-
тических работ, контрольные вопросы и список литературы.

Пособие предназначено для освоения курса «Акустические методы и при-

боры в медицине» студентами направлений подготовки 12.03.01 «Приборострое-
ние» и 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» при подготовке к прак-
тическим 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, прохо-
дящей через слоистую биосреду …………………………………..
8

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

1.4. Дифракция, интерференция и рассеяние УЗ на неоднородно-
стях в биологических тканях ………………………………………
12

1.5. Воздействие мощным ультразвуком на биологические ткани
14

1.5.1. Нелинейное взаимодействие ультразвука с биологиче-
скими 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 пара-
метров ……………………………………………………………….
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 то-
мографии …………………………………………………………………
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 ультра-
звука 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 пре-
образователей для медицинских акустических приборов ……….
84

5.2. Практическая работа № 2. Ультразвуковые сканирующие си-
стемы 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 фран-
цузский физик-экспериментатор Поль Ланжевен случайно обнаружил ак-
тивное 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. Ано-
хриенко использовал ультразвуковой метод в терапевтической практике
для комбинированного лечения ультразвуком и электрическим током. 
В настоящее время ультразвук широко применяется в физиотерапии и за-
воевал славу весьма эффективного средства.

Прогресс в области разработки гидроакустических средств обнару-

жения подводных объектов и создание электронных систем обработки гид-
ролокационных сигналов в середине прошлого века стимулировали развитие 
ультразвуковой диагностики. В настоящее время ультразвуковые интроско-
пические 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 конкре-
ментов в глубине организма без нарушения целостности покровных тка-
ней, для раздражения или разрушения отдельных нервных структур. Уль-
тразвуковые хирургические скальпели и специальные ультразвуковые ин-
струменты широко используются для рассечения мягких, хрящевых и кост-
ных 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, инженеру 
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, изучающим 
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 гидро-
акустики. 

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 не-
возмущенной 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 биот-
канями [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 характери-
стики для каждого слоя. Одной из таких характеристик является акусти-
ческий импеданс Z, представляющий собой произведение скорости звука 
c и плотности ρ для конкретного слоя. Это одна из важнейших характери-
стик 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 вертикальном 
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 акустического 
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, погло-
щения, отражения и рассеяния. Затухание существенно влияет на акусти-
ческое 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 расхож-
дения луча, что приводит к увеличению его площади сечения с расстоя-
нием. Процесс затухания, вызванный отражением, определяется не только 
свойствами, геометрическими размерами и пространственным распределе-
нием 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. Выраже-
ние, характеризующее поглощение УЗ на определенной частоте при оди-
ночном 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 по-
глощения за период (αRλ), со скоростью звука и частотой релаксации fR.

1.3. Затухание УЗ в биологических тканях

11

Изменение интенсивности волны с учетом затухания описывается 

выражением [3]:

𝐼(𝑥) = 𝐼0 exp(−𝛼𝑥), 
(1.13)

где I0 – интенсивность падающей волны, α – коэффициент затухания 
УЗ-волны.

Коэффициент затухания на фиксированной частоте выражается в ло-

гарифмических единицах и определяется по формуле:

𝛼 = −

20

𝑥 lg (

𝜌

𝜌0) .
(1.14)

На рис. 1.2 приведено изменение коэффициента затухания в зависи-

мости от частоты для различных биологических тканей [3, 5].

Рис. 1.2. Частотная зависимость затухания УЗ-волны для различных биотканей [3]

На рис. 1.2 показаны: 1 – легкие, 2 – кости черепа, 3 – кожа, 4 – мы-

шечная ткань, 5 – мозг взрослого, 6 – мозг ребенка, 7 – печень, 8 – кровь, 
9 – вода, 10 – среднее значение для мягких тканей.

С помощью пунктирной линии 10 легко определить среднее затуха-

ние на любой глубине для УЗ-частот, применяемых в диагностике.

Самое высокое затухание (около 60 дБ/см) имеют костная ткань и 

ткани легкого, даже на самой низкой частоте, используемой в диагностике – 
2,5 МГц. Поэтому ультразвуковое сканирование для этих тканей 

Глава 1. Взаимодействие акустических волн с биологическими тканями

12

обычно невозможно. Исключение составляет метод УЗ-денситометрии, заключающийся 
в определении плотности кости на основе оценки ослабления 
прошедшей УЗ-волны [6]. Также возможна визуализация структур, 
расположенных за костной тканью при их наблюдении через тонкую 
стенку височной части черепа [5].

Что касается затухания в жидких средах, таких как кровь, то оно 

очень мало. Так, на частоте 7,5 МГц на расстоянии 10 см составляет около 
1,2 дБ. Такое же низкое затухание характерно для некоторых видов кист, 
наполненных жидкостью, а также наполненного мочевого пузыря, что используется 
для облегчения получения информации о глубоко расположенных 
органах [7].

Частотно зависимый характер процессов затухания УЗ в биологических 
тканях привод к изменению вида импульсного сигнала по мере изменения 
расстояния. Это связано с более высоким затуханием для высоких
частот, что в результате приводит к смещению средней частоты импульса 
в сторону более низких частот. Изменение спектра УЗ-импульса приведено 
на рис. 1.3 [5].

Рис. 1.3. Изменение спектра акустического импульса с расстоянием [5]

На рис. 1.3 пунктирной линией показано изменение центральной частоты 
УЗ-импульса. 

Таким образом, смещение спектра эхосигнала в сторону низких частот 
необходимо учитывать при разработке УЗ диагностического прибора.

1.4. Дифракция, интерференция и рассеяние УЗ на 

неоднородностях в биологических тканях

Чаще всего в биологических тканях неоднородности имеют сложную 
форму, а их ориентация носит случайный характер. Изображения, получаемые 
методами УЗ-визуализации, строятся в основном на отраженных