Приложение D (справочное). Описание примера проточного доплеровского тест-объекта

Приложение D
(справочное)

Описание примера проточного доплеровского тест-объекта

D.1 Введение

Следующий пример взят из результатов проекта Евросоюза МАТ-СТ 940091 [12], [22]-[25]. Для обоснования деталей и вариантов пользователю рекомендованы данные отчета.

Для этого проточного доплеровского тест-объекта описано следующее:

- предполагаемое использование;

- построение проточного доплеровского тест-объекта;

- свойства проточного доплеровского тест-объекта;

- стабильность проточного доплеровского тест-объекта:

- примеры применения.

Примечание - Свойства проточного доплеровского тест-объекта зависят от используемых материалов; названия брендов можно найти в [22]-[24].

D.2 Использование по назначению

Предполагаемые области применения этого проточного доплеровского тест-объекта: приемочные испытания, обеспечение качества, оценка неисправности системы, обучение пользователей и настройка системы, предотвращающая воздействие звукового излучения на человека.

Этот проточный доплеровский тест-объект позволяет измерять у испытуемых приборов рабочую дистанцию, диапазон, глубину проникновения, а также испытывать приборы по пиковым скоростям и точности алгоритма угловой поправки [1].

Этот проточный доплеровский тест-объект обеспечивает устойчивую параболическую модель потока в довольно широкой трубке (диаметр 8 мм), встроенной в МИТ, поглощающий ультразвук. МИТ сверху залит слоем жидкости того же состава, что и жидкость в трубке (см. рисунок D.1).

Рисунок D.1 - Основные элементы проточного доплеровского тест-объекта

Основа проточного доплеровского тест-объекта может варьироваться для удовлетворения конкретных потребностей. Вводя малые или двойные сосуды, допускается выполнять большое количество испытаний, упомянутых в МЭК 61206. Для краткости описания ниже описывается только проточный доплеровский тест-объект с одним 8-миллиметровым сосудом. Следует учитывать тот факт, что представлены результаты для пяти реализаций одного проекта тестового объекта. Существуют небольшие различия. Существуют большие различия между установками расхода (контур потока, насос, расходомер). Данные для обратного рассеяния могут содержать систематические различия между лабораториями и могут быть использованы только для сличений в относительных единицах.

D.3 Изготовление проточного доплеровского тест-объекта

D.3.1 Подготовка трубки

Проточный канал выполнен из трубки C-flex [12] с круглым поперечным сечением. Номинальные размеры трубки: внутренний диаметр 8,0 мм, толщина стенки 1,6 мм. Трубка вклеена в емкость под небольшим осевым натяжением [18]. Длина входного отверстия (см. приложение Е) зависит от допускаемой скорости протекания и находится в пределах от 300 до 500 мм,

D.3.2 Подготовка материала, имитирующего ткань (МИТ)  ¹⁾

------------------------------

¹⁾_{Пример МИТ - многочастотный имитирующий ткань материал - НЕ (Gammex's multi-frequency tissuemimicking material).}

------------------------------

Смесь изготавливают из следующих материалов (мас. % чистых компонентов):

82,96 % воды:

11,21 % глицерина;

3,00 % агара;

0,94 % порошка оксида алюминия 3,0 мкм;

0,88 % порошка оксида алюминия 0,3 мкм;

0,53 % порошка карбида кремния 400 зерен;

0,46 % бензалкония хлорида.

Для получения более подробной информации см. [12].

Смесь перемешивают и нагревают до 96 °С, оставляют при этой температуре на 1 ч, затем охлаждают. При 42 °С его наливают в емкость с трубкой. После охлаждения объекта испытаний на верхнюю часть МИТ наносится тонкий слой жидкости. Эту жидкость получают путем смешивания воды, глицерина и бензалкония хлорида в том же соотношении, что и в МИТ. Как правило, доплеровский преобразователь прикладывают сверху. Боковые стенки контейнера выполнены из пластика.

D.3.3 Подготовка жидкости, имитирующей кровь (ЖИК)  ²⁾

------------------------------

²⁾_{Пример: ЖИК, Blood mimicking fluid formulation Gammex.}

------------------------------

Смесь изготавливают из следующих материалов (мас. % чистых компонентов):

83,86 % воды;

10,06 % глицерина;

3,36 % декстрана (молекулярная масса 100-200 кДа);

1,82 % частиц оргазола (сополиамид 6/12) 5 мкм;

0,90 % синперонического N моющего поверхностно-активного вещества.

Для получения более подробной информации см. [12].

Материалы смешивают начиная с воды, поверхностно-активного вещества и оргазола. Газ удаляют откачкой. Конечную смесь проливают через сито с отверстиями 30 мкм.

Примечание - Чтобы получить нейтрально плавучую ЖИК, рекомендуется добавить небольшое количество воды (1 %) или глицерина (0,2 %), в зависимости от того, плавают или тонут частицы оргазола соответственно. Эту регулировку не следует выполнять до тех пор, пока частицы оргазола не будут выдержаны в жидкости в течение 48 ч. Часть жидкости диффундирует в частицы оргазола.

D.4 Свойства проточного доплеровского тест-объекта

D.4.1 Жидкость, имитирующая кровь (ЖИК)

Ниже приведены значения параметров, соответствующих параметрам крови (см. таблицу 1), измеренных при температуре 22 °С, с указанными в скобках температурными коэффициентами для диапазона температур (22  5) °С:

- скорость звука:	1548	(+ 5 );
- плотность:	1037	(- 0,22 );
- характеристический акустический импеданс:	;
- коэффициент обратного рассеяния:	см. рисунок D.2;
- затухание:	см. рисунок D.3;
- вязкость:		()

Все свойства признаны достаточно стабильными, чтобы соответствовать требованиям таблицы 2. Необходимо сделать исключение для обратного рассеяния. Было обнаружено, что обратное рассеяние чувствительно к кластеризации (слипанию) частиц оргазола. Такие сгустки подвергаются воздействию сдвиговых напряжений либо путем прокачки жидкости в установке, либо путем ее фильтрации. Коэффициент обратного рассеяния может варьироваться в результате этих эффектов. Обратное рассеяние было получено равным обратному рассеянию крови: плазма была заменена 0,9 %-ным физиологическим раствором и гематокритом в пределах нормы (42 % - 48 %). Это кровь, в которой не происходит слипания эритроцитов.

Примечание - Вертикальные полоски показывают диапазоны полученных значений. Точки без полосок были получены в одном образце.

Рисунок D.2 - Коэффициент обратного рассеяния ЖИК как функция частоты

Примечание - Нарисованные линии представляют аппроксимированные значения для МИТ (верхняя) и предельные значения для ЖИК (нижняя).

Рисунок D.3 - Затухание в МИТ () и ЖИК () как функция частоты

Поскольку частицы и жидкость имеют одинаковую плотность, а частицы малы, то отделение частиц не происходит во время использования. После простоя разделение видно, но адекватное перемешивание достигается после короткого времени прокачки с максимальной скоростью. Жидкость использовалась в течение нескольких месяцев в замкнутых контурах без видимых изменений. Рекомендуется добавить противогрибковый компонент.

Возникновение пузырьков газа возможно предотвратить, регулярно прокачивая жидкость или подвергая ее вакуумной откачке перед использованием. Первая мера была предпринята на одной установке: прокачка жидкости в течение 10 с каждые 10 мин приводила к исчезновению пузырьков через одну неделю. При максимальной скорости потока в этой установке (30 ) пузырьков не наблюдалось. В другом проточном тест-объекте половину жидкости подвергали воздействию низкого давления (1 кПа) и перемешивали в течение 1 ч перед использованием. В этом случае пузырьки отсутствовали в потоке со скоростью 80 .

D.4.2 Трубка

Трубку необходимо поддерживать в прямом и растянутом состоянии. Трубка слегка эллиптическая, разница между самым большим и самым маленьким диаметром составляла 10 % самого большого диаметра. Площадь поперечного сечения оказалась равной 0,47 см ², как и у первичной трубки. Давление внутри трубки вызывает ее расширение, меньшее, если трубка находится внутри МИТ, и большее для свободной трубки. Чтобы поперечное сечение не изменялось более чем на 1 %, приложенное давление не должно превышать 16 кПа (трубка в МИТ) или 6 кПа (свободная трубка).

В тест-объекте для высоких скоростей протекания длина входного отверстия составляет 500 мм. В этом тест-объекте линия калибровки проходит через начало координат до Re = 2000 с отклонениями от измеренных значений менее  5 %.

Плотность стенки трубки составляет 886 .

Скорость звука составляет 1556 .

Затухание как функция частоты приведено на рисунке D.4.

Рисунок D.4 - Затухание ультразвука материалом стенки трубки в зависимости от частоты

На рисунке D.5 показаны рассчитанные спектральные искажения при однородном озвучивании по всему просвету трубки с параболическим профилем потока.

Примечание - Эти линии относятся к рабочим частотам 2 МГц (), 5 МГц () и 10 МГц (). Это результат теоретического расчета.

Рисунок D.5 - Деформация спектра скорости параболического потока при затухании в стенке трубки (толщина стенки 1,5 мм)

Следует отметить, что свойства этой трубки таковы, что она вносит довольно сильное затухание вблизи своих стенок. Преломление незначительно.

D 4.3 Материал, имитирующий ткань (МИТ)

Плотность составляет 1047 (- 0,2 )

Скорость звука составляет 1540 (температурный коэффициент не определен)

Характеристический акустический импеданс составляет .

На рисунках D.6 и D.7 показаны обратное рассеяние и затухание соответственно. Эквивалентность параметров при различных методах приготовления МИТ удовлетворительная, за исключением обратного рассеяния. Однако обратное рассеяние МИТ не очень важно для проточного тест-объекта.

Примечание - Линия обозначает расчетное значение.

Рисунок D.6 - Коэффициент обратного рассеяния двух образцов МИТ как функция частоты

Примечание - Нарисованная линия обозначает расчетные значения.

Рисунок D.7 - Отношение затухания в МИТ (односторонний проход) к частоте как функция частоты

D.5 Стабильность проточного доплеровского тест-объекта

Нижеперечисленные параметры имеют решающее значение при применении проточного доплеровского тест-объекта. Поэтому их изменение (или отсутствие изменений) документируется путем указания либо временного интервала, после которого происходит определенное изменение параметра, либо временного интервала, после которого изменение меньше порога обнаружения.

D.5.1 Жидкость, имитирующая кровь (ЖИК)

Коэффициент обратного рассеяния варьируется. Это приписывают образованию сгустков частиц оргазола. В различных случаях он изменяется в диапазоне от 5 до 7 дБ в зависимости от поставщика и методов обработки (фильтрование, откачка). Этот аспект является предметом дальнейшего изучения.

D.5.2 Трубка

Длина трубки может измениться на 3,5 % за 3 мес. Повторная калибровка поперечного сечения рекомендуется через 2 мес. Этот вопрос, а также возможные изменения акустических свойств трубки будет изучен в будущем.

D.5.3 Материал, имитирующий ткань (МИТ)

МИТ может храниться не менее 6 мес. Если контейнер протекает, жидкость сверху следует регулярно обновлять. Изменения акустических свойств МИТ пока не известны.

D.6 Применения проточного доплеровского тест-объекта

Один конкретный сканер оценивался с помощью пяти номинально идентичных проточных доплеровских тест-объектов и пяти операторов (15 комбинаций, но не полная матрица). Был проведен ряд испытаний, подробно описанных в [1], [2]. Были успешно выполнены следующие измерения:

- глубины проникновения в режиме цветового доплера (см. рисунок D.8);

- глубины проникновения в режиме импульсно-волнового доплера (как объективная, так и субъективная);

- погрешности определения местоположения исследуемого объема (см. рисунок D.8);

- самой низкой обнаруживаемой доплеровской частоты;

- внутренний диаметр трубки (см. примечание 1);

- средняя частота доплеровского спектра (см. примечание 2);

- максимальная частота доплеровского спектра (см. примечание 2);

- погрешность измерения объемного потока (см. примечание 2).

Примечание 1 - Получены разные значения у разных операторов.

Примечание 2 - Имеется разница результатов от 10 % до 20 % для разных тест-объектов и операторов.

Самая высокая обнаруживаемая доплеровская частота не может быть проверена, поскольку максимально достижимая скорость в проточном доплеровском тест-объекте слишком низка для используемого доплеровского сканера.

Измерения погрешности доплеровского угла слишком чувствительны к размещению зонда ( 2°), чтобы иметь практическое значение.

Примечание - Доплеровский преобразователь перемещается над проточным доплеровским тест-объектом до тех пор, пока сигнал от ЖИК в трубке не будет различим от шума. Такая же геометрия используется для оценки погрешности определения местоположения исследуемого объема.

Рисунок D.8 - Проверка глубины проникновения