Placeringen og formen af ​​lydbrændviddeområdet for den konkave sfæriske HIFU-transducer

Formål At studere ændringerne i formen og den geometriske position af konkavens akustiske brændvidde sfærisk ultralydstransducer, når lydintensiteten er høj og mediet har en stor dæmpning. Metoder Fra et fysisk akustiks perspektiv analyseres virkningerne af ikke-linearitet og mediedæmpning forårsaget af høj lydintensitet på lydens brændvidde, og den lineære superpositionsalgoritme af Rayleigh integral bruges til at udføre numeriske simuleringsberegninger. Både teoretisk analyse og numerisk beregning viser, at med stigningen af ​​lydintensitet og medium dæmpning har den akustiske fokalzones geometriske position en fremrykning på millimeterniveau langs den akustiske akse i retning af transduceren; samtidig den akustiske brændzone Formen ændrede sig gradvist fra en symmetrisk lang ellipsoide til en kort ellipsoide med 'fedt hoved og tynd hale'.

 

Høj lydintensitet og medium dæmpning har en vigtig indflydelse på placeringen og formen af ​​lydfokusområdet på den konkave sfæriske transducer. Der bør tages fuld hensyn til den præcise positionering og dosiskontrol af HIFU-udstyr, formuleringen af ​​inspektionsstandarder og endda den kliniske anvendelse.

 

mit land har gjort bemærkelsesværdige gennembrud i udviklingen og den kliniske anvendelse af høj-intensitets fokuseret ultralyd (HIFU) udstyr. Men for virkelig at opnå nøjagtig positionering og behandlingsdosiskontrol på udstyret, så klinisk behandling kan opnå den ideelle effekt af effektivt at dræbe læsionen uden at beskadige det omgivende normale væv, er der stadig mange teoretiske og tekniske problemer, der skal studeres og løses i dybden. Indenlandske og udenlandske eksperimentelle undersøgelser af dannelsen af ​​skader af HIFU i biologiske væv har vist, at med stigningen i lydintensiteten bevæger fokuszonens position sig fremad og gradvist ændres fra en lang ellipsoide til en 'haletudsform' eller en 'kegleform'. Selvom udenlandsk litteratur i de senere år har lavet nogle kvalitative forklaringer på ovenstående fænomen ved numerisk at løse den ikke-lineære akustiske bølgeudbredelsesligning (KZK-ligning), men beregningsproceduren er kompliceret, og den fysiske sammenhæng i beregningsprocessen er uklar. Af denne grund tager dette papir den konkave sfæriske fokuseringstransducer som et eksempel og diskuterer problemet ved at studere indflydelsen af ​​medium dæmpning og de ikke-lineære udbredelseskarakteristika under høj lydintensitet på lydens brændvidde.

 

I vores tidligere arbejde, baseret på Kirchhoff-diffraktionsintegralet, har vi udledt udtrykket af lydtrykket på ethvert punkt i enkeltfrekvenslydfeltet under betingelsen af ​​et lineært lydfelt med et konkavt lydfelt. sfærisk fokuseringstransducer med ensartet stråling på overfladen (også kaldet For Rayleigh-punkter).

 

Fra analysen af ​​ikke-lineær akustikteori, når lydtrykket af den enkeltfrekvente sinusbølge, der udstråles fra overfladen af ​​transduceren ind i mediet, er stort nok, kaldes det en 'endelig amplitudebølge', som udbreder en vis afstand i mediet (kaldet den diskontinuerlige afstand). ), vil bølgeformen blive forvrænget til en savtandsbølge, som også kan betragtes som en stødbølge. Ud over grundfrekvensen af ​​den oprindelige emission omfatter frekvensspektret for denne bølge også en række højere harmoniske. De genereres gradvist ved kontinuerligt at absorbere energi fra grundbølgen under udbredelsen af ​​lydbølger, det vil sige vævsharmonikken i ultralydsmedicin. Amplitudekoefficienten kan bruges til at beskrive udbredelsen af ​​højordens harmoniske med udbredelsesafstanden og forholdet mellem energiændringer under udbredelsen.

 

Savtandsbølgen danner en afstand, så σ er en dimensionsløs størrelse, der afspejler udbredelsesafstanden. Ud fra dette har vi beregnet amplitudekoefficientkurven for grundbølgen og de første 3 harmoniske. Når lydbølgen forplanter sig i mediet, falder lydtrykket eksponentielt med afstanden, hvilket kan udtrykkes i en form. For almindeligt blødt væv er dæmpningskoefficienten TM nogenlunde proportional med frekvensen. For at forenkle beregningen udtrykker denne artikel dæmpningskoefficienten for hver harmonisk komponent som hvor α er lyddæmpningssystemet for grundfrekvenslydbølgen i biologiske væv pr. afstandsenhed.

 

 

Det bør omfatte lydabsorption og spredning af vævet. Efter at have overvejet de to ovenstående faktorer (ikke-linearitet og dæmpning), kan udtrykket af lydtrykket i det fokuserede lydfelt udvides til følgende form: er bølgetallet for hver harmonisk. Denne formel er, hvad vi kalder den lineære superpositionsalgoritme for Rayleigh-integralet.

 

Resultat:

 

1 Indflydelsen af ​​medium dæmpning på lydens brændvidde

Parametrene for enhedens konkave sfæriske transducer, der bruges i dette papir, er: krumningsradius R = 15 cm, åbningsradius a = 42 cm, arbejdsfrekvens f = 1,7 MHz. Hvis det antages, at mediet er almindeligt blødt væv, er dets dæmpningskoefficient α i området 01-30dB gryderet (cm·Mz). Mediets lydhastighed, tæthed og andre parametre er taget i henhold til den relevante litteratur. For at studere dæmpningskoefficienten som en enkelt påvirkningsfaktor skal der kun beregnes en enkelt frekvens, nemlig grundfrekvensen, og analyseres for ændringsloven for lydfokusdomænet med forskellige α-værdier. Af denne grund blev der i formlen (3) udført en række numeriske beregninger ved at tage M=1. Resultaterne viser, at med stigningen i dæmpningen, det vil sige, når α = 0,3, 13 og 23dB gryderet (cm·Mhz), ændres formen af ​​det -6dB akustiske fokalområde gradvist fra en lang ellipsoide til en kort ellipsoide, og dens lange akse1 og korte akse

 

2

De er henholdsvis 111, 104 og 92. Placeringen af ​​fokalzonen (position på den akustiske akse), de to sidstnævnte er henholdsvis 30 mm og 65 mm foran førstnævnte langs transducerens akustiske akse. Samtidig er hovedet af fokalzonen (enden tæt på transduceren) mere 'fed' end dens hale (enden langt fra transduceren).

 

2 Effekten af ​​ikke-linearitet forårsaget af høj lydintensitet på lydfokusområdet er den samme, overfladestrålingslydtrykket betragtes som en enkelt faktor, og dets værdier er henholdsvis 44, 73, 4 MPa og α = 3dB gryderet (cm·MHz). I betragtning af at dæmpningen af ​​mediet stiger hurtigt med stigningen af ​​den harmoniske frekvens, behøver antallet af harmoniske ikke at være for mange. Beregningsresultaterne viser, at: Efterhånden som overfladestrålingslydtrykket stiger, ændres positionen og formen af ​​fokalzonen i modsætning til, når dæmpningskoefficienten ændres. Den er så stor, men dens skiftende lov er ens. Det vil sige, at positionerne af de to sidstnævnte fokusområder flyttes frem med henholdsvis 16 mm og 21 mm; forholdet mellem den lange og korte akse af 6dB-fokusområdet er henholdsvis 119, 116 og 113, og hovedet af fokusområdet har også en tendens til at blive 'fed'.

 

3 Den kombinerede effekt af dæmpning og ikke-linearitet på lydens brændvidde

Ovenstående to faktorer er samtidigt inkorporeret i formel (3) til beregning. Figur 3(a) og figur 3(b) viser henholdsvis, at α=3dB gryderet (cm·MHz), P′ 0=44MPa og α=2,3dB gryderet (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Når man betragter dæmpning og ikke-lineære effekter på samme tid, er konturen af ​​iso-lydtryklinjen i fokalzonen beregningsresultatet i figuren. Sammenlignet med de to er fokuszonepositionen rykket frem med 8,4 mm, og forholdet mellem fokalzonens større og mindre akser er ændret fra 11,9 til 8,5. Det viser, at ændringstrenden af ​​fokalzonen forårsaget af dæmpningskoefficienten og ikke-lineariteten er den samme, så den samlede effekt forstærkes.

 

 

afslutningsvis

De teoretiske analyse- og beregningsresultater i dette papir viser, at høj lydintensitet og medium dæmpning har en vigtig indflydelse på lydens fokalzones form og position; jo større dæmpningskoefficienten for mediet er, jo højere er lydintensiteten (det vil sige, jo stærkere er ikke-lineariteten) og lydfokus Jo tættere feltet er på transduceren; forholdet mellem brændfeltets lange og korte akser bliver også mindre, det vil sige, at dets form gradvist ændres fra en lang ellipsoide til en kort ellipsoide, og hovedet af lydfokusområdet bliver 'fedt' end halen. Fænomen, formen har en tendens til at være 'gulerod'. Ovenstående konklusioner giver grundlag for kvantitativt at analysere forandringsloven for lydfokusområdet i HIFU piezo keramik felt, og yderligere studere forholdet mellem lydfokusområdet og skadeområdet.