موضع وشكل النطاق البؤري الصوتي لمحول طاقة HIFU الكروي المقعر

الهدف دراسة التغيرات في الشكل والموضع الهندسي للمدى البؤري الصوتي للمقعر محول طاقة بالموجات فوق الصوتية الكروية عندما تكون شدة الصوت عالية ويكون للوسط توهين كبير. الطرق من منظور الصوتيات الفيزيائية، يتم تحليل تأثيرات اللاخطية وتوهين الوسائط الناجم عن كثافة الصوت العالية على النطاق البؤري الصوتي، ويتم استخدام خوارزمية التراكب الخطي لتكامل رايلي لإجراء حسابات المحاكاة العددية. يوضح كل من التحليل النظري والحساب العددي أنه مع زيادة شدة الصوت والتوهين المتوسط، فإن الموقع الهندسي للمنطقة البؤرية الصوتية يتقدم بمقدار ملليمتر على طول المحور الصوتي في اتجاه محول الطاقة؛ في الوقت نفسه، تغير شكل المنطقة البؤرية الصوتية تدريجيًا من شكل إهليلجي طويل متماثل إلى شكل إهليلجي قصير مع 'رأس سمين وذيل رفيع'.

 

لكثافة الصوت العالية والتوهين المتوسط ​​تأثير مهم على موضع وشكل المنطقة البؤرية الصوتية لمحول الطاقة الكروي المقعر. ينبغي إيلاء الاعتبار الكامل لتحديد المواقع بدقة والتحكم في الجرعة لمعدات HIFU، وصياغة معايير التفتيش، وحتى التطبيق السريري.

 

لقد حققت بلدي اختراقات ملحوظة في التطوير والتطبيق السريري للموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة (معدات الموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة (HIFU). ومع ذلك، لتحقيق تحديد موضع دقيق والتحكم في جرعة العلاج على المعدات، بحيث يمكن للعلاج السريري تحقيق التأثير المثالي لقتل الآفة بشكل فعال دون الإضرار بالأنسجة الطبيعية المحيطة، لا تزال هناك العديد من القضايا النظرية والتقنية التي تحتاج إلى دراسة وحلها بعمق. أظهرت الدراسات التجريبية المحلية والأجنبية حول تكوين تلف HIFU في الأنسجة البيولوجية أنه مع زيادة شدة الصوت، يتحرك موضع المنطقة البؤرية للأمام ويتغير تدريجيًا من شكل إهليلجي طويل إلى 'شكل الشرغوف' أو 'الشكل المخروطي'. على الرغم من أن الأدبيات الأجنبية قدمت في السنوات الأخيرة بعض التفسيرات النوعية للظاهرة المذكورة أعلاه من خلال الحل العددي لمعادلة انتشار الموجات الصوتية غير الخطية (معادلة KZK)، إلا أن إجراء الحساب معقد والعلاقة الفيزيائية في عملية الحساب غير واضحة. لهذا السبب، يأخذ هذا البحث محول التركيز الكروي المقعر كمثال، ويناقش المشكلة من خلال دراسة تأثير التوهين المتوسط ​​وخصائص الانتشار غير الخطية تحت شدة الصوت العالية على المدى البؤري الصوتي.

 

في عملنا السابق، استنادًا إلى تكامل حيود كيرشوف، اشتقنا التعبير عن ضغط الصوت عند أي نقطة في مجال الصوت أحادي التردد تحت شرط مجال صوتي خطي ذو مجال مقعر محول تركيز كروي مع إشعاع موحد على السطح (يُسمى أيضًا نقاط رايلي).

 

من تحليل نظرية الصوتيات غير الخطية، عندما يكون ضغط الصوت للموجة الجيبية أحادية التردد المشعة من سطح محول الطاقة إلى الوسط كبيرًا بدرجة كافية، يطلق عليه 'موجة ذات سعة محدودة'، والتي تنتشر مسافة معينة في الوسط (تسمى المسافة المتقطعة). )، سيتم تشويه الشكل الموجي إلى موجة مسننة، والتي يمكن أيضًا اعتبارها موجة صدمة. بالإضافة إلى التردد الأساسي للإصدار الأصلي، يتضمن الطيف الترددي لهذه الموجة أيضًا سلسلة من التوافقيات الأعلى. يتم توليدها تدريجيًا عن طريق الامتصاص المستمر للطاقة من الموجة الأساسية أثناء انتشار الموجات الصوتية، أي توافقيات الأنسجة في طب الموجات فوق الصوتية. يمكن استخدام معامل السعة لوصف انتشار التوافقيات عالية الترتيب مع مسافة الانتشار والعلاقة بين تغيرات الطاقة أثناء الانتشار.

 

تشكل موجة مسننة مسافة، لذا فإن σ هي كمية بلا أبعاد تعكس مسافة الانتشار. وبناء على ذلك قمنا بحساب منحنى معامل الاتساع للموجة الأساسية والتوافقيات الثلاث الأولى. عندما تنتشر موجة الصوت في الوسط، فإن ضغط الصوت يتضاءل بشكل كبير مع المسافة، وهو ما يمكن التعبير عنه في شكل. بالنسبة للأنسجة الرخوة العامة، يتناسب معامل التوهين TM تقريبًا مع التردد. من أجل تبسيط الحساب، تعبر هذه المقالة عن معامل التوهين لكل مكون توافقي حيث α هو نظام التوهين الصوتي للموجة الصوتية ذات التردد الأساسي في الأنسجة البيولوجية لكل وحدة مسافة.

 

 

وينبغي أن تشمل امتصاص الصوت وتناثر الأنسجة. بعد النظر في العاملين المذكورين أعلاه (عدم الخطية والتوهين)، يمكن أن يمتد التعبير عن ضغط الصوت في مجال الصوت المركز إلى الشكل التالي: هو الرقم الموجي لكل توافقي. هذه الصيغة هي ما نسميه خوارزمية التراكب الخطي لتكامل رايلي.

 

نتيجة:

 

1 تأثير التوهين المتوسط ​​على المدى البؤري الصوتي

معلمات وحدة محول الطاقة الكروية المقعرة المستخدمة في هذه الورقة هي: نصف قطر الانحناء R = 15 سم، نصف قطر الفتحة = 42 سم، تردد العمل f = 1.7 ميجاهرتز. بافتراض أن الوسط عبارة عن نسيج رخو عام، فإن معامل التوهين α يكون في نطاق 01-30 ديسيبل (cm·Mz). يتم أخذ سرعة الصوت والكثافة والمعلمات الأخرى للوسط وفقًا للأدبيات ذات الصلة. من أجل دراسة معامل التوهين كعامل مؤثر واحد، يجب حساب وتحليل تردد واحد فقط، وهو التردد الأساسي، من أجل قانون التغيير في مجال تركيز الصوت بقيم α مختلفة. ولهذا السبب، في الصيغة (3)، تم إجراء سلسلة من الحسابات العددية بأخذ M=1. تظهر النتائج أنه مع زيادة التوهين، أي عندما تكون α = 0.3 و13 و23 ديسيبل (سم · ميجاهرتز)، يتغير شكل المنطقة البؤرية الصوتية -6 ديسيبل تدريجيًا من شكل إهليلجي طويل إلى إهليلجي قصير، ومحوره الطويل 1 ومحوره القصير

 

2

وهم 111، 104، و 92 على التوالي. موضع المنطقة البؤرية (الموضع على المحور الصوتي)، الأخيران يتقدمان على التوالي بمقدار 30 مم و65 مم على طول المحور الصوتي لمحول الطاقة. وفي الوقت نفسه، يكون رأس المنطقة البؤرية (النهاية القريبة من محول الطاقة) أكثر 'سمنة' من ذيله (النهاية البعيدة عن محول الطاقة).

 

2 تأثير عدم الخطية الناتج عن كثافة الصوت العالية على نطاق تركيز الصوت هو نفسه، ويعتبر ضغط الصوت الإشعاعي السطحي عاملاً واحدًا، وقيمه هي على التوالي 44 و73 و4 ميجا باسكال وα = 3 ديسيبل (سم · ميجاهرتز). وبالنظر إلى أن توهين الوسط يزداد بسرعة مع زيادة التردد التوافقي، فإن عدد التوافقيات ليس من الضروري أن يكون أكثر من اللازم. تظهر نتائج الحساب أنه: مع زيادة الضغط الصوتي للإشعاع السطحي، يتغير موضع وشكل المنطقة البؤرية على عكس عندما يتغير معامل التوهين، فهو كبير جدًا، لكن قانون تغيره مشابه. وهذا يعني أن موضعي المنطقتين البؤريتين الأخيرتين تم تحريكهما للأمام بمقدار 16 مم و21 مم على التوالي؛ تبلغ نسبة المحور الطويل والقصير للمنطقة البؤرية 6 ديسيبل 119 و116 و113 على التوالي، ويميل رأس المنطقة البؤرية أيضًا إلى أن يصبح 'سمينًا'.

 

3 التأثير المشترك للتوهين وعدم الخطية على المدى البؤري الصوتي

يتم دمج العاملين المذكورين أعلاه في وقت واحد في الصيغة (3) للحساب. يوضح الشكل 3 (أ) والشكل 3 (ب) على التوالي أن الحساء α = 3dB (cm · MHz)، P ′ 0 = 44MPa و α = 2.3dB (cm · MHz)، P ′ 0 = 44MPa

عند النظر في التوهين والتأثيرات غير الخطية في نفس الوقت، فإن محيط خط ضغط الصوت المتساوي في المنطقة البؤرية هو النتيجة الحسابية في الشكل. بالمقارنة مع الاثنين، تحرك موضع المنطقة البؤرية للأمام بمقدار 8.4 ملم، وتغيرت نسبة المحاور الرئيسية والثانوية للمنطقة البؤرية من 11.9 إلى 8.5. ويظهر أن اتجاه التغيير في المنطقة البؤرية الناتج عن معامل التوهين وعدم الخطية هو نفسه، وبالتالي يتم تعزيز التأثير الكلي.

 

 

ختاماً

تظهر نتائج التحليل والحساب النظري في هذه الورقة أن كثافة الصوت العالية والتوهين المتوسط ​​لهما تأثير مهم على شكل وموضع المنطقة البؤرية الصوتية؛ كلما زاد معامل التوهين للوسط، زادت شدة الصوت (أي كلما كانت اللاخطية أقوى)، وتركيز الصوت كلما اقترب المجال من محول الطاقة؛ كما تصبح نسبة المحاور الطويلة والقصيرة للمجال البؤري أصغر، أي أن شكله يتغير تدريجيًا من شكل إهليلجي طويل إلى إهليلجي قصير، ويصبح رأس منطقة تركيز الصوت 'سمينًا' من الذيل. الظاهرة، الشكل يميل إلى 'الجزرة'. توفر الاستنتاجات المذكورة أعلاه أساسًا للتحليل الكمي لقانون التغيير في مجال التركيز السليم مجال سيراميك بيزو HIFU ، ومواصلة دراسة العلاقة بين منطقة تركيز الصوت ومنطقة الضرر.