موقعیت و شکل محدوده کانونی صدا مبدل HIFU کروی مقعر

هدف بررسی تغییرات شکل و موقعیت هندسی محدوده کانونی صوتی مقعر مبدل اولتراسونیک کروی زمانی که شدت صدا زیاد است و متوسط ​​دارای میرایی زیاد است. روش‌ها از منظر آکوستیک فیزیکی، اثرات غیرخطی و تضعیف رسانه ناشی از شدت صوت بالا بر محدوده کانونی صدا تحلیل می‌شوند و الگوریتم برهم‌نهی خطی انتگرال ریلی برای انجام محاسبات شبیه‌سازی عددی استفاده می‌شود. هم تحلیل نظری و هم محاسبه عددی نشان می‌دهد که با افزایش شدت صوت و تضعیف متوسط، موقعیت هندسی ناحیه کانونی صوتی دارای یک پیشروی در سطح میلی‌متری در امتداد محور آکوستیک در جهت مبدل است. در همان زمان، منطقه کانونی آکوستیک شکل به تدریج از یک بیضی بلند متقارن به یک بیضی کوتاه با 'سر چاق و دم نازک' تغییر کرد.

 

شدت صدای بالا و میرایی متوسط ​​تأثیر مهمی بر موقعیت و شکل ناحیه کانونی صدا مبدل کروی مقعر دارد. باید به موقعیت دقیق و کنترل دوز تجهیزات HIFU، تدوین استانداردهای بازرسی و حتی کاربرد بالینی توجه کامل داشت.

 

کشور من پیشرفت های قابل توجهی در توسعه و کاربرد بالینی اولتراسوند متمرکز با شدت بالا (تجهیزات سونوگرافی متمرکز با شدت بالا (HIFU)) داشته است. با این حال، برای دستیابی واقعی به موقعیت یابی دقیق و کنترل دوز درمان بر روی تجهیزات، به طوری که درمان بالینی بتواند به اثر ایده آل از بین بردن موثر ضایعه بدون آسیب رساندن به بافت های طبیعی اطراف دست یابد، هنوز مسائل نظری و فنی زیادی وجود دارد که نیاز به مطالعه و حل عمیق دارند. مطالعات تجربی داخلی و خارجی در مورد ایجاد آسیب هایفو در بافت های بیولوژیکی نشان داده است که با افزایش شدت صوت، موقعیت ناحیه کانونی به سمت جلو حرکت می کند و به تدریج از یک بیضی بلند به «شکل بچه قورباغه» یا «شکل مخروطی» تغییر می کند. اگرچه در سال‌های اخیر، ادبیات خارجی با حل عددی معادله انتشار موج صوتی غیرخطی (معادله KZK) توضیحات کیفی برای پدیده فوق ارائه کرده است، اما روش محاسبه پیچیده است و رابطه فیزیکی در فرآیند محاسبه نامشخص است. به همین دلیل، این مقاله مبدل متمرکز کروی مقعر را به عنوان مثال می‌گیرد و با مطالعه تأثیر تضعیف متوسط ​​و ویژگی‌های انتشار غیرخطی تحت شدت صدای بالا بر روی محدوده کانونی صدا، مسئله را مورد بحث قرار می‌دهد.

 

در کار قبلی خود، بر اساس انتگرال پراش کیرشهوف، بیان فشار صوت را در هر نقطه از میدان صوتی تک فرکانس تحت شرایط یک میدان صوتی خطی با مقعر استخراج کردیم. مبدل متمرکز کروی با تابش یکنواخت روی سطح (همچنین به آن نقاط ریلی می گویند).

 

از تجزیه و تحلیل تئوری آکوستیک غیرخطی، زمانی که فشار صوتی موج سینوسی تک فرکانس تابش شده از سطح مبدل به محیط به اندازه کافی بزرگ باشد، به آن 'موج دامنه محدود' می گویند که فاصله معینی را در محیط منتشر می کند (به نام فاصله ناپیوسته). )، شکل موج به یک موج دندانه اره ای تغییر می کند که می تواند به عنوان یک موج ضربه ای نیز در نظر گرفته شود. طیف فرکانس این موج علاوه بر فرکانس بنیادی گسیل اصلی، شامل یک سری هارمونیک های بالاتر نیز می شود. آنها به تدریج با جذب مداوم انرژی از موج اصلی در طول انتشار امواج صوتی، یعنی هارمونیک های بافت در پزشکی اولتراسوند، تولید می شوند. ضریب دامنه را می توان برای توصیف انتشار هارمونیک های مرتبه بالا با فاصله انتشار و رابطه تغییرات انرژی در حین انتشار استفاده کرد.

 

موج دندانه اره یک فاصله را تشکیل می دهد، بنابراین σ کمیت بی بعد است که فاصله انتشار را منعکس می کند. بر این اساس منحنی ضریب دامنه موج بنیادی و 3 هارمونیک اول را محاسبه کرده ایم. هنگامی که موج صوتی در محیط منتشر می شود، فشار صوت به صورت تصاعدی با فاصله کاهش می یابد که می تواند به شکلی بیان شود. برای بافت های نرم عمومی، ضریب تضعیف TM تقریباً متناسب با فرکانس است. به منظور ساده کردن محاسبه، این مقاله ضریب تضعیف هر جزء هارمونیک را به عنوان جایی که α سیستم تضعیف صدا موج صوتی فرکانس اساسی در بافت‌های بیولوژیکی در واحد فاصله است بیان می‌کند.

 

 

باید شامل جذب صدا و پراکندگی بافت باشد. پس از در نظر گرفتن دو عامل فوق (غیر خطی و میرایی)، بیان فشار صوت در میدان صوتی متمرکز را می توان به شکل زیر گسترش داد: عدد موج هر هارمونیک است. این فرمول همان چیزی است که ما آن را الگوریتم برهم نهی خطی انتگرال ریلی می نامیم.

 

نتیجه：

 

1 تأثیر تضعیف متوسط ​​بر دامنه کانونی صدا

پارامترهای مبدل کروی مقعر واحد مورد استفاده در این مقاله عبارتند از: شعاع انحنای R = 15 سانتی متر، شعاع دیافراگم a = 42 سانتی متر، فرکانس کاری f = 1.7 مگاهرتز. با فرض اینکه محیط بافت نرم عمومی است، ضریب تضعیف α آن در محدوده خورش 01-30 دسی بل (cm·Mz) است. سرعت صدا، چگالی و سایر پارامترهای محیط با توجه به ادبیات مربوطه گرفته شده است. برای مطالعه ضریب تضعیف به عنوان یک عامل تأثیرگذار منفرد، تنها یک فرکانس منفرد، یعنی فرکانس بنیادی، باید برای قانون تغییر دامنه کانونی صدا با مقادیر α متفاوت محاسبه و تحلیل شود. به همین دلیل در فرمول (3) یک سری محاسبات عددی با گرفتن M=1 انجام شد. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش میرایی، یعنی زمانی که α = 0.3، 13 و 23 دسی‌بل خورش (cm·Mhz) باشد، شکل ناحیه کانونی صوتی -6 دسی‌بل به تدریج از یک بیضی بلند به یک بیضی کوتاه، و محور بلند 1 و محور کوتاه آن تغییر می‌کند.

 

2

آنها به ترتیب 111، 104 و 92 هستند. موقعیت ناحیه کانونی (موقعیت روی محور آکوستیک)، دو دومی به ترتیب 30 و 65 میلی متر جلوتر از اولی در امتداد محور آکوستیک مبدل قرار دارند. در عین حال، سر ناحیه کانونی (انتهای نزدیک به مبدل) بیشتر از دم آن (انتهای دور از مبدل) 'چاق' است.

 

2 اثر غیر خطی ناشی از شدت صوت بالا بر محدوده کانونی صدا یکسان است، فشار صوت تابش سطحی به عنوان یک عامل واحد در نظر گرفته می شود و مقادیر آن به ترتیب 44، 73، 4 مگاپاسکال و α = 3dB خورش (cm·MHz) می باشد. با توجه به اینکه تضعیف محیط با افزایش فرکانس هارمونیک به سرعت افزایش می یابد، نیازی نیست تعداد هارمونیک ها زیاد باشد. نتایج محاسبات نشان می‌دهد که: با افزایش فشار صوت تابش سطحی، موقعیت و شکل ناحیه کانونی تغییر می‌کند برخلاف زمانی که ضریب تضعیف تغییر می‌کند، اما قانون تغییر آن مشابه است. یعنی موقعیت های دو ناحیه کانونی اخیر به ترتیب 16 و 21 میلی متر به جلو حرکت می کنند. نسبت محور بلند و کوتاه ناحیه کانونی 6 دسی بل به ترتیب 119، 116 و 113 است و سر ناحیه کانونی نیز تمایل به 'چاق' شدن دارد.

 

3 اثر ترکیبی تضعیف و غیرخطی بودن بر محدوده کانونی صدا

دو عامل فوق به طور همزمان در فرمول (3) برای محاسبه گنجانده شده است. شکل 3(a) و شکل 3(b) به ترتیب نشان می دهند که خورش α=3dB (cm·MHz)، P′0=44MPa و α=2.3dB خورش (cm·MHz)، P′0=44MPa

هنگام در نظر گرفتن اثرات تضعیف و غیرخطی به طور همزمان، کانتور خط فشار هم صدا در ناحیه کانونی نتیجه محاسبه در شکل است. در مقایسه با این دو، موقعیت ناحیه کانونی 8.4 میلی متر به جلو حرکت کرده است و نسبت محورهای اصلی و فرعی منطقه کانونی از 11.9 به 8.5 تغییر کرده است. نشان می دهد که روند تغییر ناحیه کانونی ناشی از ضریب تضعیف و غیرخطی بودن یکسان است، بنابراین اثر کلی تقویت می شود.

 

 

در نتیجه گیری

تحلیل نظری و نتایج محاسبات در این مقاله نشان می‌دهد که شدت صدای بالا و میرایی متوسط ​​تأثیر مهمی بر شکل و موقعیت ناحیه کانونی صدا دارد. هر چه ضریب تضعیف محیط بیشتر باشد، شدت صوت بیشتر می شود (یعنی غیرخطی بودن قوی تر) و کانون صدا هر چه میدان به مبدل نزدیکتر باشد. نسبت محورهای بلند و کوتاه میدان کانونی نیز کوچکتر می شود، یعنی شکل آن به تدریج از یک بیضی بلند به یک بیضی کوتاه تغییر می کند و سر ناحیه فوکوس صدا نسبت به دم 'چاق' می شود. پدیده، شکل تمایل به 'هویج' دارد. نتیجه‌گیری‌های بالا مبنایی برای تحلیل کمی قانون تغییر ناحیه تمرکز صدا فراهم می‌کند زمینه سرامیک پیزو HIFU و بررسی بیشتر رابطه بین ناحیه فوکوس صدا و ناحیه آسیب.