Главная > СВЧ, ультразвук, аккустика > Применение ультразвука в медицине: Физические основы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

4.4.2.3. Влияние неоднородностей

В большинстве случаев акустические неоднородности биологических тканей являются причиной возникновения дополнительных погрешностей, связанных с рефракцией и дифракцией акустического поля в образце, а также с эффектом компенсации фаз при использовании фазочувствительных приемников. Наличие рефракции и дифракции в неоднородной среде может приводить к локальным возмущениям параметров ультразвукового пучка относительно тех их значений, которые наблюдались бы в данной точке приема, если бы единственным фактором, влияющим на ультразвуковой пучок, было затухание [67, 155]. По-видимому, никто пока еще не оценивал возможные величины этих погрешностей, хотя следует заметить, что они скорее всего будут существенными лишь при использовании приемников с очень малыми размерами.

Эффект компенсации фаз на приемнике может быть следствием различий либо в длине пути, либо в скорости звука на различных участках прохождения волны в среде с неоднородностями (рис. 4.7). При фиксированной частоте коэффициент затухания связанный только с эффектом компенсации фаз, может быть рассчитан в явном виде. Для двух различных ситуаций, показанных на рис. 4.7, вклад этой величины в полное затухание а можно

Рис. 4.7. Схематичное представление искажения фронта плоской волны после прохождения через образец из акустически неоднородного материала, Показаны два простейших примера влияния неоднородностей среды: а — скачок в толщине образца (толщина вдоль оси у неизменна); б - скачок скорости звука (скорость вдоль оси у не меняется).

вычислить по формуле [7]

где относительная доля площади приемника, на которую падает часть волны с постоянной фазой (так, например, , если скачок фазы в волне делит площадь приемника точно пополам). Величина Ф при наличии вариаций в длине пути определяется выражением

тогда как в случае вариаций скорости звука она равна

где скорость звука в контактной среде. Расчетные значения при различных значениях и различных вариациях скорости звука и длины пути представлены на рис. 4.8. Видно, что даже сравнительно малые изменения в длине пути или скорости звука могут приводить к заметным погрешностям измерений, особенно на высоких частотах.

Рис. 4.8. Частотные зависимости дополнительного затухания принятого сигнала. Это затухание обусловлено эффектом компенсации фаз на поверхности круглого фазочувствительного приемника. Результаты расчетов при вариациях соответственно длины пути и скорости звука в случаях, показанных на рис. 4.7: а — номинальная толщина образца 4 см, на каждой кривой указано процентное отношение изменения толщины к полной толщине образца, значение определяет ту часть площади приемника (относительно всей его площади), в пределах которой фазовый фронт падающей волны однороден; б - толщина образца 2,8 см и на каждой кривой указана относительная разность (в процентах) скоростей звука в двух участках образца.

Миллер и др. [150] подробно исследовали влияние эффекта компенсации фаз на результаты измерения затухания в сердечной мышце собаки. В ряде случаев они получили завышенные оценки а, превосходящие реальные значения более чем на 100%. Маркус и Карстенсен [142] также отмечают, что при прохождении через мышечную ткань волна испытывает сильные фазовые вариации, тогда как в случае печени, заметных изменений фазы по сечению пучка не наблюдается. Результаты измерений коэффициента затухания а, выполненных в указанных двух работах с применением как пьезоэлектрических приемников, так и радиометров, хорошо согласовались в случае печени, однако в случае мышечной ткани их различие достигало 380%. Очевидно, что вклад эффекта компенсации фаз будет существенно изменяться при переходе от тканей одного типа к тканям другого и, возможно, при переходе от образца к образцу. О вариациях скорости звука в различных тканях и органах пока имеется очень немного данных. Необходимо отметить,

Рис. 4.9. Пример, характеризующий влияние эффекта компенсации фаз при измерениях затухания звука в свежеудаленной печени человека (длина пути 4,8 см). Импульсы а и д были зарегистрированы непосредственно перед исследуемой областью и за ней; импульс в наблюдался в пределах исследуемой области. Различие во временах прихода импульсов а и д вызывает интерференцию и компенсацию фаз на частоте около в спектре импульса г.

однако, что с помощью широкополосных измерительных систем нетрудно распознать те неоднородные участки образца, в которых заметно проявляется эффект компенсации фаз и, следовательно, избежать их. Такую возможность наглядно иллюстрирует рис. 4.9. Решению этой проблемы в определенной степени способствует также апостериорная обработка экспериментальных данных о затухании звука для фиксированных частот. Эта обработка заключается

в усреднении и аппроксимации экспериментальных зависимостей сглаженными кривыми. Следует учитывать, что такая процедура неизбежно приводит к некоторому завышению коэффициента затухания и угла наклона частотной зависимости. Аналогичные проблемы, возникающие при измерениях рассеяния звука, будут рассмотрены в гл. 6.

Эффекты компенсации фаз можно свести к минимуму, если использовать не только не чувствительные к фазе приемники и широкополосные системы, но и тонкие, ровно вырезанные образцы, узкие, с малым поперечным сечением вблизи образца ультразвуковые пучки (что достигается, например, в случае фокусирующих преобразователей), приемники малых размеров, а также прибегая к увеличению расстояния между образцом и приемником. Три последних требования подразумевают, что приемник находится в дальнем поле (зоне Фраунгофера), а сама область фазовых искажений расположена в «дальнем поле» приемника.

Заметим, что различные требования, позволяющие решить рассмотренные выше проблемы, противоречат друг другу. Поэтому при разработке той или иной измерительной системы зачастую приходится применять компромиссные решения.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление