Особливості поширення хвиль у легеневій тканині

Abstract

Розглянуто проблемні питання, які стосуються моделювання хвильових властивостей легеневої тканини (паренхіми). Проаналізовано великий масив експериментальних даних про поширення хвиль звукового частотного діапазону в легенях ссавців. Коротко викладено основи теорій, які пояснюють формування фазової швидкості та коефіцієнта згасання для хвилі об'ємного стиску в такому середовищі. При цьому паренхіму достатньо розглядати як суспензію газових бульбашок з підкріпленою поверхнею в рідині, причому при проходженні звуку між рідкою і газовою фазами відбувається інтенсивний теплообмін. Аналіз на основі теорії Біо для пористих насичених середовищ показав, що існування низькошвидкісної хвилі, яка відповідає квазистатичному модулю стиску для легені з відкритими альвеолами, не можна пов'язувати з дифузійною хвилею, генерованою внаслідок рухів газу відносно тканинного ``скелета'' легень. Фазова швидкість дифузійної хвилі в даному випадку, ймовірно, відповідає хвилеводному типу поширення звуку в бронхіальному дереві. Висловлено припущення про можливу структурну природу ``низькошвидкісної поздовжньої'' хвилі, яка спостерігалась при ударному локальному навантаженні стінки легені. Показано, що ідентифікація зафіксованої при цьому поперечної хвилі на основі відомих теорій механіки багатофазних середовищ не становить жодних труднощів.

Рассмотрены проблемные вопросы, касающиеся моделирования волновых свойств легочной ткани (паренхимы). Проанализирован большой массив экспериментальных данных о распространении волн звукового частотного диапазона в легких млекопитающих. Кратко изложены основы теорий, объясняющих формирование фазовой скорости и коэффициента затухания для волны объемного сжатия в такой среде. При этом паренхиму достаточно рассматриавать как суспензию газовых пузырьков с подкрепленной поверхностью в жидкости, причем при прохождении звука между жидкой и газовой фазами происходит интенсивный теплообмен. Анализ на основе теории Био для пористых упругих сред показал, что существование низкоскоростной волны, соответствующей квазистатическому модулю сжатия для легкого с открытыми альвеолами, нельзя связывать с диффузионной волной, генерируемой вследствие движений газа относительно тканевого ``скелета'' легких. Фазовая скорость диффузионной волны в данном случае, вероятно, соответствует волноводному типу распространения звука в бронхиальном дереве. Высказано предположение о возможной структурной природе ``низкоскоростной продольной'' волны, наблюдавшейся при ударном локальном нагружении стенки легкого. Показано, что идентификация зафиксированной при этом поперечной волны на основе известных теорий механики многофазных сред не представляет никаких трудностей.

The paper deals with the problems of modeling wave properties of the lung tissue (parenchyma) and analyzing of extended experimental data on wave propagation in mammalian lungs within audible frequency range. Fundamentals of the theories are stated, that explain the formation of phase velocity and attenuation coefficient for bulk compression wave in such medium. For this purpose, the parenchyma may be considered as a suspension of gas bubbles with supported surfaces with simultaneous intensive heat exchange between gas and liquid phases induced by sound propagation. The analysis based on the Biot's theory for porous elastic media shows that the existence of the low-velocity wave, corresponding to quasistatic compression modulus for the lung, cannot be treated as a diffusive wave generated by gas motion with respect to the tissue ``skeleton'' of the lung. Apparently, phase velocity of the diffusive wave in this case corresponds to the waveguide type of sound propagation in the bronchial tree. It is assumed that the ``low-frequency longitudinal'' wave observed at local shock loading of the lung wall might be one of the structural nature. It is shown that the transversal wave recorded under these conditions may be easily identified using the known theories of mechanics of multiphase media.