2.3. Погрешности измерения затухания в однородных средах
Неточность изготовления образца. Изготовление опытного образца в виде плоскопараллельного слоя из твердой ткани или жидкости обычно трудности не составляет. Они возникают при обработке мягких тканей, поскольку при изготовлении их срезов очень непросто получить слой постоянной толщины. Отклонения, как правило, составляют 10%.
Точность измерения амплитуд сигналов. Необходимо обеспечивать высокую точность измерения амплитуд сигналов при прохождении ультразвука через эталонную среду без образца и с введенным образцом. С этой целью используются широкополосные калиброванные аттенюаторы. Точность определения амплитуд сигналов обеспечивается точностью калибровки аттенюатора и усилителей, а также погрешностью цифрового преобразования в случае машинной обработки.
Точность воспроизведения спектров исследуемых сигналов. Эта величина в логарифмическом масштабе в случае аналоговых спектроанализаторов обычно не превосходит (0,2–0,3) дБ.
Амплитудно-частотная характеристика всего тракта. Желательно, чтобы измерительная система имела равномерную амплитудно-частотную характеристику во всем диапазоне исследуемых частот.
Учет коэффициента прохождения в мягких тканях. Исходя из значений удельных акустических импедансов воды и мягких тканей, можно рассчитать соответствующий коэффициент прохождения в мягких тканях – 0,99. Пренебрежение этой величиной приводит к несколько завышенным значениям затухания звука, однако подобная ошибка не превышает 0,05 дБ.
Вклад прямого рассеяния. Если не учитывается реально существующее прямое рассеяние, это приводит к завышенным оценкам коэффициента затухания. Такая погрешность наиболее существенна при исследовании сред с сильным затуханием (легкие, кости, молочная железа).
Различие в скорости звука между исследуемой тканью и контактной средой. Скорость ультразвука в исследуемой ткани отлична от скорости в контактной жидкости. Это обусловливает три возможных источника погрешности измерений: объемную рефракцию ультразвукового пучка, которая возникает в результате углового смещения образца или непараллельности его поверхности; дифракционные потери; эффект компенсации фазы, который возникает вследствие вариаций пути прохождения в пределах ширины пучка.
Погрешности, вызванные рефракцией, могут быть снижены при использовании фокусирующих преобразователей, тонких образцов, приемников с большой апертурой. Уменьшение расстояния между образцом ткани и приемником также снижает данный вид погрешности.
Среди перечисленных видов погрешности наибольший вклад вносит дифракционная. В измерительных системах с переменным расстоянием пренебрежение потерями, связанными с дифракционными эффектами в поле излучателя, может приводит к погрешности, достигающей 30% [3]. По данным [3], на рис. 2.1, а, представлены расчетные величины полных дифракционных потерь при различных расстояниях от поверхности излучателя. В расчетах предполагалось, что интенсивность пропорциональна квадрату звукового давления, усредненного по поверхности приемника.
Рис. 2.1. Параметры, характеризующие дифракционные эффекты: а – дифракционные потери А (1) и фазовый сдвиг (2) при использовании круглого поршневого излучателя радиусом r; б – дифракционная погрешность В (т. е. дополнительное затухание), найденная по данным графиков а; 1 – образец со скоростью звука 1000 м/с; 2 – образец со скоростью звука 1350 м/с
Интенсивность принятого сигнала вычислялась для различных расстояний Z, выраженных в единицах r2/ (r – радиус преобразователя), при условии, что форма и площадь поверхности приемника и излучателя одинаковы и что оба преобразователя расположены соосно. На рис. 2.1, б представлены примеры частотной зависимости дополнительных потерь (или приращений) амплитуды регистрируемого сигнала, обусловленных различием в дифракционных потерях при наличии и отсутствии исследуемого образца в звуковом пучке. Графики получены для двух образцов с различной скоростью распространения звука. График 1 – скорость звука составляет 1600 м/с, что соответствует верхней границе значений скорости для биологических тканей типа печени, график 2 – 1350 м/с (очень низкое значение, характерное для жировой ткани). В обоих случаях скорость звука в контактной среде составляла 1485 м/с, толщина образца равнялась 3 см, радиусы преобразователей – 7,5 мм. На основе представленных данных можно сделать следующие выводы:
1. Дифракционные погрешности растут с понижением частоты.
2. Периодический характер изменения этой систематической погрешности позволяет уменьшить ее аппроксимацией экспериментальной кривой затухания некоторой сглаженной функции частоты.
В рассматриваемом случае в результате такой процедуры погрешность сводилась к постоянному значению, составляющему всего 0,03 дБ [3]. В этом состоит преимущество использования систем с непрерывно перестраиваемой частотой над узкополосными системами, реализующими метод введения образца.