Die posisie en vorm van die klankfokusreeks van die konkawe sferiese HIFU-omskakelaar

Doelwit Om die veranderinge in die vorm en geometriese posisie van die akoestiese fokusreeks van die konkaaf te bestudeer sferiese ultrasoniese transducer wanneer die klankintensiteit hoog is en die medium 'n groot verswakking het. Metodes Vanuit die perspektief van fisiese akoestiek word die effekte van nie-lineariteit en media-demping veroorsaak deur hoë klankintensiteit op die klankfokusreeks ontleed, en die lineêre superposisie-algoritme van Rayleigh-integraal word gebruik om numeriese simulasieberekeninge uit te voer. Beide teoretiese analise en numeriese berekening toon dat met die toename van klankintensiteit en medium verswakking, die geometriese posisie van die akoestiese fokussone 'n millimeter-vlak vordering langs die akoestiese as in die rigting van die transducer het; terselfdertyd het die akoestiese fokussone. Die vorm het geleidelik verander van 'n simmetriese lang ellipsoïed na 'n kort ellipsoïed met 'n 'vet kop en dun stert'.

 

Hoë klankintensiteit en medium verswakking het 'n belangrike invloed op die posisie en vorm van die klankfokusgebied van die konkawe sferiese transducer. Volledige oorweging moet gegee word aan die presiese posisionering en dosisbeheer van HIFU-toerusting, die formulering van inspeksiestandaarde, en selfs die kliniese toepassing.

 

my land het merkwaardige deurbrake gemaak in die ontwikkeling en kliniese toepassing van hoë-intensiteit gefokusde ultraklank (hoë-intensiteit gefokus ultraklank (HIFU) toerusting). Om egter werklik akkurate posisionering en behandelingsdosisbeheer op die toerusting te bereik, sodat kliniese behandeling die ideale effek kan bereik om die letsel effektief dood te maak sonder om die omliggende normale weefsels te beskadig, is daar nog baie teoretiese en tegniese kwessies wat in diepte bestudeer en opgelos moet word. Binnelandse en buitelandse eksperimentele studies oor die vorming van skade van HIFU in biologiese weefsels het getoon dat met die toename van klankintensiteit, die posisie van die fokussone vorentoe beweeg en geleidelik verander van 'n lang ellipsoïed na 'n 'taadpole-vorm' of 'n 'keëlvorm'. Alhoewel buitelandse literatuur in onlangse jare 'n paar kwalitatiewe verklarings vir die bogenoemde verskynsel gemaak het deur die nie-lineêre akoestiese golfvoortplantingsvergelyking (KZK-vergelyking) numeries op te los, maar die berekeningsprosedure is ingewikkeld en die fisiese verwantskap in die berekeningsproses is onduidelik. Om hierdie rede neem hierdie referaat die konkawe sferiese fokusomskakelaar as 'n voorbeeld, en bespreek die probleem deur die invloed van die medium verswakking en die nie-lineêre voortplantingskenmerke onder hoë klankintensiteit op die klankfokusreeks te bestudeer.

 

In ons vorige werk, gebaseer op die Kirchhoff-diffraksie-integraal, het ons die uitdrukking van die klankdruk op enige punt in die enkelfrekwensie klankveld afgelei onder die toestand van 'n lineêre klankveld met 'n konkaaf sferiese fokusomskakelaar met eenvormige straling op die oppervlak (ook genoem Vir Rayleigh-punte).

 

Uit die ontleding van nie-lineêre akoestiekteorie, wanneer die klankdruk van die enkelfrekwensie sinusgolf wat van die oppervlak van die omskakelaar in die medium uitgestraal word, groot genoeg is, word dit 'n 'eindige amplitudegolf' genoem, wat 'n sekere afstand in die medium voortplant (genoem die diskontinue afstand). ), sal die golfvorm in 'n saagtandgolf verwring word, wat ook as 'n skokgolf beskou kan word. Benewens die fundamentele frekwensie van die oorspronklike emissie, sluit die frekwensiespektrum van hierdie golf ook 'n reeks hoër harmonieke in. Hulle word geleidelik gegenereer deur voortdurend energie van die fundamentele golf te absorbeer tydens die voortplanting van klankgolwe, dit wil sê die weefselharmoniese in ultraklankgeneeskunde. Die amplitudekoëffisiënt kan gebruik word om die voortplanting van hoë-orde harmonieke met die voortplantingsafstand en die verhouding van energieveranderinge tydens voortplanting te beskryf.

 

Die saagtandgolf vorm 'n afstand, dus is σ 'n dimensielose hoeveelheid wat die voortplantingsafstand weerspieël. Op grond hiervan het ons die amplitudekoëffisiëntkromme van die fundamentele golf en die eerste 3 harmonieke bereken. Wanneer die klankgolf in die medium voortplant, verval die klankdruk eksponensieel met die afstand, wat in 'n vorm uitgedruk kan word. Vir algemene sagte weefsels is die verswakkingskoëffisiënt TM rofweg eweredig aan die frekwensie. Om die berekening te vereenvoudig, druk hierdie artikel die verswakkingskoëffisiënt van elke harmoniese komponent uit soos waar α die klankdempingsisteem van die fundamentele frekwensie klankgolf in biologiese weefsels per eenheidsafstand is.

 

 

Dit moet die klankabsorpsie en verstrooiing van die weefsel insluit. Na oorweging van die bogenoemde twee faktore (nie-lineariteit en verswakking), kan die uitdrukking van die klankdruk in die gefokusde klankveld uitgebrei word na die volgende vorm: is die golfgetal van elke harmoniek. Hierdie formule is wat ons die lineêre superposisie-algoritme van Rayleigh-integraal noem.

 

Resultaat:

 

1 Die invloed van medium verswakking op die klankfokusreeks

Die parameters van die eenheidskonkawe sferiese omskakelaar wat in hierdie vraestel gebruik word, is: kromingsradius R = 15 cm, apertuurradius a = 42 cm, werkfrekwensie f = 1.7 MHz. As aanvaar word dat die medium algemene sagte weefsel is, is sy verswakkingskoëffisiënt α in die reeks van 01-30dB bredie (cm·Mz). Die klanksnelheid, digtheid en ander parameters van die medium word volgens die relevante literatuur geneem. Om die verswakkingskoëffisiënt as 'n enkele invloedsfaktor te bestudeer, hoef slegs 'n enkele frekwensie, naamlik die fundamentele frekwensie, vir die veranderingswet van die klankfokusdomein met verskillende α-waardes bereken en ontleed te word. Om hierdie rede, in die formule (3), is 'n reeks numeriese berekeninge uitgevoer deur M=1 te neem. Die resultate toon dat met die toename van verswakking, dit wil sê wanneer α = 0.3, 13 en 23dB bredie (cm·Mhz), die vorm van die -6dB akoestiese fokusgebied geleidelik verander van 'n lang ellipsoïed na 'n kort ellipsoïed, en sy lang as1 en kort as

 

2

Hulle is onderskeidelik 111, 104 en 92. Die posisie van die fokussone (posisie op die akoestiese as), laasgenoemde twee is onderskeidelik 30 mm en 65 mm voor eersgenoemde langs die akoestiese as van die transducer. Terselfdertyd is die kop van die fokussone (die punt naby die transducer) meer 'vet' as sy stert (die punt ver van die transducer).

 

2 Die effek van nie-lineariteit wat veroorsaak word deur hoë klankintensiteit op die klankfokusreeks is dieselfde, die oppervlakbestraling klankdruk word as 'n enkele faktor beskou, en die waardes daarvan is onderskeidelik 44, 73, 4 MPa en α = 3dB bredie (cm·MHz). As in ag geneem word dat die verswakking van die medium vinnig toeneem met die toename van die harmoniese frekwensie, hoef die aantal harmonieke nie te veel te wees nie. Die berekeningsresultate toon dat: soos die oppervlakbestraling klankdruk toeneem, verander die posisie en vorm van die fokussone anders as wanneer die verswakkingskoëffisiënt verander. Dit is so groot, maar die veranderende wet is soortgelyk. Dit wil sê, die posisies van laasgenoemde twee fokusareas word onderskeidelik met 16 mm en 21 mm vorentoe geskuif; die verhouding van die lang en kort as van die 6dB-fokusarea is onderskeidelik 119, 116 en 113, en die kop van die fokusarea het ook 'n neiging om 'vet' te word.

 

3 Die gekombineerde effek van verswakking en nie-lineariteit op die klankfokusreeks

Bogenoemde twee faktore word terselfdertyd by formule (3) geïnkorporeer vir berekening. Figuur 3(a) en Figuur 3(b) toon onderskeidelik dat α=3dB bredie (cm·MHz), P′ 0=44MPa en α=2.3dB bredie (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Wanneer verswakking en nie-lineêre effekte terselfdertyd oorweeg word, is die kontoer van die iso-klankdruklyn in die fokussone die berekeningsresultaat in die figuur. In vergelyking met die twee het die fokussoneposisie met 8,4 mm vorentoe beweeg, en die verhouding van die fokussone se hoof- en klein-asse het van 11,9 na 8,5 verander. Dit toon dat die veranderingstendens van die fokussone wat veroorsaak word deur die verswakkingskoëffisiënt en nie-lineariteit dieselfde is, dus word die algehele effek versterk.

 

 

ten slotte

Die teoretiese analise en berekeningsresultate in hierdie vraestel toon dat hoë klankintensiteit en medium verswakking 'n belangrike invloed op die vorm en posisie van die klankfokussone het; hoe groter die verswakkingskoëffisiënt van die medium, hoe hoër is die klankintensiteit (dit wil sê, hoe sterker is die nie-lineariteit), en die klankfokus Hoe nader die veld aan die omskakelaar is; die verhouding van die lang en kort asse van die fokusveld word ook kleiner, dit wil sê die vorm daarvan verander geleidelik van 'n lang ellipsoïed na 'n kort ellipsoïed, en die kop van die klankfokusarea word 'vet' as die stert. Verskynsel, die vorm is geneig om 'wortel' te wees. Bogenoemde gevolgtrekkings verskaf 'n basis vir die kwantitatiewe ontleding van die veranderingswet van die klankfokusarea van die HIFU piëzo-keramiekveld , en bestudeer die verband tussen die klankfokusarea en die skadearea verder.