Poloha a tvar zvukového ohniskového rozsahu konkávního sférického HIFU měniče

Cíl Studovat změny tvaru a geometrické polohy akustického ohniskového rozsahu konkávy sférický ultrazvukový měnič , kdy je intenzita zvuku vysoká a médium má velký útlum. Metody Z hlediska fyzikální akustiky jsou analyzovány vlivy nelinearity a útlumů médií způsobených vysokou intenzitou zvuku na ohniskový rozsah zvuku a k provádění numerických simulačních výpočtů je použit lineární superpoziční algoritmus Rayleighova integrálu. Jak teoretická analýza, tak numerický výpočet ukazují, že s nárůstem intenzity zvuku a středního útlumu má geometrická poloha akustické ohniskové zóny milimetrový předstih podél akustické osy ve směru měniče; zároveň akustická ohnisková zóna Tvar se postupně měnil ze symetrického dlouhého elipsoidu na krátký elipsoid s 'tlustou hlavou a tenkým ocasem'.

 

Vysoká intenzita zvuku a střední útlum mají důležitý vliv na polohu a tvar ohniskové oblasti zvuku konkávního kulového měniče. Plná pozornost by měla být věnována přesnému umístění a kontrole dávkování zařízení HIFU, formulaci kontrolních standardů a dokonce i klinické aplikaci.

 

moje země učinila pozoruhodné průlomy ve vývoji a klinické aplikaci vysoce intenzivního zaostřeného ultrazvuku (zařízení vysoce intenzivního zaostřeného ultrazvuku (HIFU)). Aby se však skutečně dosáhlo přesného umístění a regulace léčebné dávky na zařízení, aby klinická léčba mohla dosáhnout ideálního účinku účinného usmrcení léze bez poškození okolních normálních tkání, stále existuje mnoho teoretických a technických problémů, které je třeba prostudovat a do hloubky vyřešit. Tuzemské i zahraniční experimentální studie o vzniku poškození HIFU v biologických tkáních ukázaly, že s nárůstem intenzity zvuku se poloha ohniskové zóny posouvá dopředu a postupně se mění z dlouhého elipsoidu na 'tvar pulce' nebo 'tvar kužele'. Zahraniční literatura sice v posledních letech učinila některá kvalitativní vysvětlení výše uvedeného jevu numerickým řešením rovnice nelineárního šíření akustických vln (rovnice KZK), ale postup výpočtu je komplikovaný a fyzikální vztah v procesu výpočtu nejasný. Z tohoto důvodu tento článek bere jako příklad konkávní sférický zaostřovací převodník a probírá problém studiem vlivu středního útlumu a charakteristik nelineárního šíření při vysoké intenzitě zvuku na ohniskový rozsah zvuku.

 

V naší předchozí práci jsme na základě Kirchhoffova difrakčního integrálu odvodili vyjádření akustického tlaku v libovolném bodě jednofrekvenčního zvukového pole za podmínky lineárního zvukového pole s konkávním sférický zaostřovací převodník s rovnoměrným zářením na povrchu (také nazývaný pro Rayleighovy body).

 

Z rozboru teorie nelineární akustiky, kdy je akustický tlak jednofrekvenční sinusové vlny vyzařované z povrchu měniče do prostředí dostatečně velký, se nazývá 'vlna s konečnou amplitudou', která se šíří určitou vzdáleností v médiu (tzv. nespojitá vzdálenost). ), tvar vlny bude zkreslen do pilovité vlny, kterou lze také považovat za rázovou vlnu. Kromě základní frekvence původní emise zahrnuje frekvenční spektrum této vlny také řadu vyšších harmonických. Jsou postupně generovány nepřetržitým pohlcováním energie ze základní vlny při šíření zvukových vln, tedy tkáňových harmonických v ultrazvukové medicíně. Amplitudový koeficient lze použít k popisu šíření harmonických vyšších řádů se vzdáleností šíření a vztahu změn energie během šíření.

 

Pilová vlna tvoří vzdálenost, takže σ je bezrozměrná veličina odrážející vzdálenost šíření. Na základě toho jsme vypočítali křivku amplitudového koeficientu základní vlny a prvních 3 harmonických. Když se zvuková vlna šíří prostředím, klesá akustický tlak exponenciálně se vzdáleností, kterou lze vyjádřit ve formě. Pro obecné měkké tkáně je koeficient útlumu TM zhruba úměrný frekvenci. Pro zjednodušení výpočtu tento článek vyjadřuje koeficient útlumu každé harmonické složky jako kde α je systém zvukového útlumu zvukové vlny základní frekvence v biologických tkáních na jednotku vzdálenosti.

 

 

Mělo by zahrnovat absorpci zvuku a rozptyl tkáně. Po zvážení výše uvedených dvou faktorů (nelinearita a útlum) lze vyjádření akustického tlaku v zaostřeném zvukovém poli rozšířit do následující podoby: je vlnové číslo každé harmonické. Tento vzorec nazýváme lineární superpoziční algoritmus Rayleighova integrálu.

 

Výsledek:

 

1 Vliv středního útlumu na ohniskový rozsah zvuku

Parametry jednotkového konkávního kulového snímače použitého v tomto článku jsou: poloměr křivosti R = 15 cm, poloměr apertury a = 42 cm, pracovní frekvence f = 1,7 MHz. Za předpokladu, že médium je obecná měkká tkáň, je jeho koeficient útlumu α v rozmezí 01-30 dB stew (cm·Mz). Rychlost zvuku, hustota a další parametry média jsou brány podle příslušné literatury. Aby bylo možné studovat útlumový koeficient jako jediný ovlivňující faktor, je třeba vypočítat a analyzovat pouze jeden kmitočet, jmenovitě základní kmitočet, a analyzovat zákon změny domény fokusu zvuku s různými hodnotami α. Z tohoto důvodu byla ve vzorci (3) provedena řada numerických výpočtů za použití M=1. Výsledky ukazují, že s nárůstem útlumu, tedy když α = 0,3, 13 a 23dB dušené maso (cm·Mhz), se tvar akustické ohniskové oblasti -6dB postupně mění z dlouhého elipsoidu na krátký elipsoid a jeho dlouhá osa1 a krátká osa

 

2

Jsou to 111, 104 a 92. Poloha ohniskové zóny (poloha na akustické ose), poslední dvě jsou 30 mm a 65 mm před první podél akustické osy měniče. Zároveň je hlava ohniskové zóny (konec blízko snímače) více 'tučná' než její ocas (konec vzdálený od měniče).

 

2 Vliv nelinearity způsobené vysokou intenzitou zvuku na rozsah zvukového ohniska je stejný, akustický tlak povrchového záření je považován za jeden faktor a jeho hodnoty jsou 44, 73, 4 MPa a α = 3dB stew (cm·MHz). Vzhledem k tomu, že útlum média rychle roste s rostoucí harmonickou frekvencí, nemusí být počet harmonických příliš vysoký. Výsledky výpočtů ukazují, že: jak se zvyšuje akustický tlak povrchového záření, mění se poloha a tvar ohniskové zóny na rozdíl od změny koeficientu útlumu Je to tak velké, ale jeho měnící se zákon je podobný. To znamená, že pozice posledních dvou ohniskových oblastí jsou posunuty dopředu o 16 mm a 21 mm; poměr dlouhé a krátké osy ohniskové plochy 6dB je 119, 116 a 113 a hlava ohniska má také tendenci 'tloustnout'.

 

3 Kombinovaný účinek útlumu a nelinearity na rozsah ohnisek zvuku

Výše uvedené dva faktory jsou současně začleněny do vzorce (3) pro výpočet. Obrázek 3(a) a obrázek 3(b) ukazují, že α=3dB dušené maso (cm·MHz), P'0=44MPa a a=2,3dB dušené maso (cm·MHz), P'0=44MPa

Při současném zohlednění útlumu a nelineárních efektů je výsledkem výpočtu na obrázku obrys čáry izo-zvukového tlaku v ohniskové zóně. Ve srovnání s těmito dvěma se poloha ohniskové zóny posunula dopředu o 8,4 mm a poměr hlavní a vedlejší osy ohniskové zóny se změnil z 11,9 na 8,5. Ukazuje, že trend změny ohniskové zóny způsobený koeficientem útlumu a nelinearitou je stejný, takže celkový efekt je posílen.

 

 

na závěr

Výsledky teoretické analýzy a výpočtů v tomto článku ukazují, že vysoká intenzita zvuku a střední útlum mají významný vliv na tvar a polohu ohniskové zóny zvuku; čím větší je koeficient útlumu média, tím vyšší je intenzita zvuku (tj. silnější nelinearita) a zaostření zvuku Čím blíže je pole k měniči; poměr dlouhých a krátkých os ohniskového pole se také zmenšuje, to znamená, že se jeho tvar postupně mění z dlouhého elipsoidu na krátký elipsoid a hlava oblasti zvukového zaostření se stává 'tučnou' než ocas. Fenomén, tvar bývá 'mrkev'. Výše uvedené závěry poskytují základ pro kvantitativní analýzu zákona změny oblasti zvukového ohniska HIFU piezokeramika pole, a dále studovat vztah mezi oblastí zaostření zvuku a oblastí poškození.