ГОСТ Р МЭК 61685-2020 Техника ультразвуковая. Системы измерения потока. Проточный тест-объект

Приложение С
(справочное)

Обоснование числовых значений, выбранных в настоящем стандарте

Примечание - Здесь обоснованы некоторые выбранные в настоящем стандарте величины. Нумерация названий пунктов соответствует пунктам основного документа.

C.1 Общие положения

В настоящем стандарте приводятся требования к параметрам, относящимся к разным частям проточного доплеровского тест-объекта, жидкости, имитирующей кровь (ЖИК), трубки, материала, имитирующего ткань (МИТ), и геометрии проточного доплеровского тест-объекта. Выбранные диапазоны значений находятся в диапазонах, которые встречаются in vivo. В этом выборе были рассмотрены две противоположные позиции:

- диапазон должен быть как можно шире, чтобы легко реализовать проточный доплеровский тест-объект;

- диапазон должен быть настолько узким, чтобы различные проточные доплеровские тест-объекты давали практически одинаковый результат. Поскольку результаты доплеровских измерений, как правило, носят качественный характер, границы погрешности устанавливаются равными ±5% для скоростей и ±3 дБ для уровней сигнала.

Частотный диапазон находится в пределах от 2 до 10 МГц. Нижний предел является естественным, поскольку не существует диагностических инструментов, работающих с более низкой частотой. Введены в действие диагностические доплеровские системы, использующие частоты выше 10 МГц. Здесь ограничение обусловлено отсутствием знаний о свойствах материалов, которые могли быть использованы для создания проточного доплеровского тест-объекта.

Требования к проточному доплеровскому тест-объекту невозможно полностью отделить от свойств (в частности, ультразвуковой частоты) испытуемой доплеровской системы. В настоящий момент неизвестно, возможно ли создать единственный проточный доплеровский тест-объект, который удовлетворял бы требованиям ко всем частотам. Поэтому при изменении частоты ультразвука может возникнуть необходимость изменить состав проточного доплеровского тест-объекта.

C.2 Пункт 6.1: жидкость, имитирующая кровь (ЖИК)

Значения, приведенные в таблице 1, соответствуют параметрам крови при 37°С.

Рассеяние ультразвука кровью in vivo может значительно варьироваться в зависимости от ее состава и условий кровотока [13]. Было сочтено нереальным указывать диапазон. Поэтому значения, приведенные в таблице 1, несколько произвольны. Выбранные значения [6] относятся к хорошо перемешанной суспензии эритроцитов человека при гематокрите 40%. В данном случае эффект агрегации эритроцитов, который может увеличивать коэффициент рассеяния, отсутствует. Считается, что эти значения находятся в диапазоне значений, возникающих для артериальной крови, протекающей в сосудах диаметром более 0,5 мм. Для облегчения подготовки ЖИК выбран довольно широкий диапазон приемлемых коэффициентов обратного рассеяния. Фактическое значение должно быть известно с точностью до двух. С этим запасом коэффициент обратного рассеяния вносит ±3 дБ в неопределенность уровня отраженного сигнала. Поскольку абсолютное измерение обратного рассеяния затруднительно, возможно отнести обратное рассеяние ЖИК к препарату крови, сравнимому с тем, который цитируется в литературе [6]. (Более узкий запас желателен, но еще не реализован.) Неопределенность в обратном рассеянии ЖИК влияет на измерение глубины проникновения. Поскольку большинство доплеровских систем могут справиться с ослаблением сигнала в 40 дБ, из этого следует, что неопределенность 3 дБ в значениях обратного рассеяния вносит погрешность менее ±7% в значения глубины проникновения. В настоящее время это приемлемо.

Допустимый диапазон скоростей звука в ЖИК таков, что можно выбрать либо близкое представление крови, либо условие отсутствия рефракции по отношению к МИТ.

Частотная зависимость затухания в крови несколько сильнее, чем величина, указанная в таблице 1 [3], [4]. Для ЖИК ослабление должно быть низким (таблица 2), чтобы минимизировать неоднородность звукового поля внутри трубки. В любом случае затухание в ЖИК намного меньше, чем в МИТ.

Вязкость выбирается по верхним значениям вязкости крови в теле человека. Более высокая вязкость ЖИК по сравнению с кровью способствует ламинарному потоку и, следовательно, воспроизводимым условиям.

Плотность частиц в ЖИК должна быть выбрана достаточно большой, чтобы дискретная структура частиц не проявлялась в доплеровском спектре. Исследуемый объем для доплеровской системы может быть рассчитан как произведение площади пучка -3 дБ и эффективной длины исследуемого объема. Обратите внимание, что эффективная длина исследуемого объема ограничена путем проходимого ультразвука в трубке, когда она меньше длины исследуемого объема. Наименьший исследуемый объем, который встречается в настоящее время, составляет 0,1 мм; поэтому ЖИК для общего пользования должна содержать не менее 10 частиц на м. Было показано [14], что статистика доплеровских спектров, полученных для крови человека и для смеси глицерин-вода с частицами Sephadex (расчетная концентрация в диапазоне от 2·10 до 10 на м), была одинакова для этой конкретной (CW) доплеровской системы с предполагаемым исследуемым объемом 50 мм.

C.3 Пункт 6.3.1: внутренний диаметр

Диапазон диаметров трубки ограничен снизу (0,5 мм) неньютоновским характером кровотока в более мелких сосудах [5]. Наибольший диаметр (32 мм) представляет аорту. Каждое последующее значение диаметра получается умножением на два предыдущих. Таким образом с помощью проточного доплеровского тест-объекта возможно смоделировать измерения на сосудах всех размеров, имеющихся в теле человека. Отдавая предпочтение определенным значениям диаметров, можно обмениваться результатами, полученными с использованием различных проточных доплеровских тест-объектов.

C.4 Пункт 6.3.2: длина входного отверстия

Требования к длине входного отверстия при ламинарном течении установлены достаточно четко [7]. Верхний предел приемлемого числа Рейнольдса произволен. В очень гладких трубках поток будет оставаться ламинарным до высоких чисел Рейнольдса. Поскольку демпфирующее влияние стенки уменьшается с увеличением числа Рейнольдса, небольшие возмущения будут иметь большие последствия. Развитие турбулентного потока очень постепенное для Re>2000, пока при Re=4000 турбулентный характер потока не будет развит полностью [8].

Известно, что препятствия потока ниже по течению от точки измерения оказывают гораздо меньшее влияние на профиль потока, чем препятствия сверху по течению. Препятствия, расположенные ниже по течению на расстоянии более двух диаметров трубок от интересующей точки, могут игнорироваться.

C.5 Пункт 6.3.3: Стенка

Плоский спектр доплеровских скоростей был получен с полиэтиленовой трубкой [15], что указывает на то, что в этом случае спектральные искажения не были значительными.

С.6 Пункт 6.4: Материал, имитирующий ткань (МИТ)

О МИТ известно достаточно много [16], [17]. Коэффициенты затухания и обратного рассеяния МИТ находятся в диапазоне, соответствующем ткани печени, что и используется при сканировании тест-объектов. Чтобы сделать возможным создание относительно компактных проточных тест-объектов для низких частот, в качестве альтернативы допускается использовать более высокое затухание (). Скорость звука важна, хотя возможно использование материала, имитирующего ткань, имеющего немного другую скорость. В этом случае для скорости звука, выходящей за пределы диапазона, указанного в таблице 3, тест-объект допускается масштабировать либо по времени прохождения ультразвуковых импульсов, либо по фокусировке звуковых пучков, но не по обоим критериям сразу.