Koveran pallomaisen HIFU-anturin äänen polttovälin sijainti ja muoto

Tavoite Tutkia koveran akustisen polttovälin muodon ja geometrisen sijainnin muutoksia pallomainen ultraäänianturi, kun äänen intensiteetti on korkea ja välineellä on suuri vaimennus. Menetelmät Fyysisen akustiikan näkökulmasta analysoidaan korkean äänenvoimakkuuden aiheuttaman epälineaarisuuden ja median vaimennuksen vaikutuksia äänen polttoväliin ja käytetään Rayleigh-integraalin lineaarista superpositioalgoritmia suoritettaessa numeerisia simulaatiolaskelmia. Sekä teoreettinen analyysi että numeerinen laskelma osoittavat, että äänen intensiteetin ja keskitason vaimennuksen kasvaessa akustisen polttoalueen geometrinen sijainti etenee millimetrin tasolla akustista akselia pitkin anturin suuntaan; samalla akustinen polttoalue. Muoto muuttui vähitellen symmetrisestä pitkästä ellipsoidista lyhyeksi ellipsoidiksi, jossa on 'lihava pää ja ohut häntä'.

 

Korkea äänenvoimakkuus ja keskivaimennus vaikuttavat merkittävästi koveran pallomaisen anturin äänen polttoalueen sijaintiin ja muotoon. HIFU-laitteiden tarkka sijoittelu ja annoksen valvonta, tarkastusstandardien muotoilu ja jopa kliininen sovellus tulee ottaa täysimääräisesti huomioon.

 

kotimaani on tehnyt merkittäviä läpimurtoja korkean intensiteetin fokusoitujen ultraäänilaitteiden (HIFU-laitteiden) kehittämisessä ja kliinisessä soveltamisessa. Kuitenkin, jotta todella saavutettaisiin tarkka paikannus ja hoitoannoksen hallinta laitteissa, jotta kliinisellä hoidolla voidaan saavuttaa ihanteellinen vaikutus leesion tehokkaaseen tappamiseen vahingoittamatta ympäröiviä normaaleja kudoksia, on kuitenkin vielä monia teoreettisia ja teknisiä kysymyksiä, joita on tutkittava ja ratkaistava perusteellisesti. Kotimaiset ja ulkomaiset kokeelliset tutkimukset HIFU:n vaurioiden muodostumisesta biologisissa kudoksissa ovat osoittaneet, että äänen voimakkuuden kasvaessa polttovyöhykkeen sijainti siirtyy eteenpäin ja muuttuu vähitellen pitkästä ellipsoidista 'tadpole-muotoiseksi' tai 'kartion muotoiseksi'. Vaikka ulkomaisessa kirjallisuudessa on viime vuosina tehty kvalitatiivisia selityksiä yllä olevalle ilmiölle ratkaisemalla numeerisesti epälineaarisen akustisen aallon etenemisyhtälö (KZK-yhtälö), mutta laskentaprosessi on monimutkainen ja fyysinen suhde laskentaprosessissa on epäselvä. Tästä syystä tässä artikkelissa otetaan esimerkkinä kovera pallomainen tarkennusmuunnin ja käsitellään ongelmaa tutkimalla keskivaimennuksen ja epälineaaristen etenemisominaisuuksien vaikutusta korkealla äänenvoimakkuudella äänen polttoväliin.

 

Aiemmassa työssämme, perustuen Kirchhoffin diffraktiointegraaliin, olemme johtaneet äänenpaineen ilmaisun missä tahansa pisteessä yksitaajuisessa äänikentässä lineaarisen äänikentän, jossa on kovera ääni. pallomainen tarkennusmuunnin tasaisella säteilyllä pinnalla (kutsutaan myös Rayleigh-pisteiksi).

 

Epälineaarisen akustiikan teorian analyysin perusteella, kun anturin pinnasta väliaineeseen säteilevän yksitaajuisen siniaallon äänenpaine on riittävän suuri, sitä kutsutaan 'ääreelliseksi amplitudiaaloksi', joka etenee väliaineessa tietyn matkan (kutsutaan epäjatkuvaksi etäisyydeksi). ), aaltomuoto vääristyy saha-aaltoksi, jota voidaan pitää myös iskuaaltona. Alkuperäisen emission perustaajuuden lisäksi tämän aallon taajuusspektri sisältää myös sarjan korkeampia harmonisia. Niitä syntyy vähitellen absorboimalla jatkuvasti energiaa ääniaaltojen, eli ultraäänilääketieteen kudosharmonisten, etenemisen aikana. Amplitudikertoimella voidaan kuvata korkean kertaluvun harmonisten etenemistä etenemisetäisyyden kanssa ja etenemisen aikana tapahtuvien energiamuutosten suhdetta.

 

Saha-aalto muodostaa etäisyyden, joten σ on etenemisetäisyyttä heijastava dimensioton suure. Tämän perusteella olemme laskeneet perusaallon amplitudikerroinkäyrän ja 3 ensimmäistä harmonista. Kun ääniaalto etenee väliaineessa, äänenpaine pienenee eksponentiaalisesti etäisyyden mukaan, mikä voidaan ilmaista muodossa. Yleisille pehmytkudoksille vaimennuskerroin TM on karkeasti verrannollinen taajuuteen. Laskennan yksinkertaistamiseksi tässä artikkelissa esitetään kunkin harmonisen komponentin vaimennuskerroin missä α on perustaajuuden ääniaallon äänenvaimennusjärjestelmä biologisissa kudoksissa etäisyysyksikköä kohti.

 

 

Sen tulisi sisältää äänen absorptio ja kudoksen sironta. Kun edellä mainitut kaksi tekijää (epälineaarisuus ja vaimennus) otetaan huomioon, äänenpaineen ilmaisu fokusoidussa äänikentässä voidaan laajentaa seuraavaan muotoon: on kunkin harmonisen aaltoluku. Tätä kaavaa kutsumme Rayleighin integraalin lineaariseksi superpositioalgoritmiksi.

 

Tulos:

 

1 Keskivaimennuksen vaikutus äänen polttoväliin

Tässä artikkelissa käytetyn yksikkökoveran pallomuuntimen parametrit ovat: kaarevuussäde R = 15 cm, aukon säde a = 42 cm, työtaajuus f = 1,7 MHz. Olettaen, että väliaine on yleinen pehmytkudos, sen vaimennuskerroin α on alueella 01-30 dB muhennos (cm·Mz). Väliaineen äänen nopeus, tiheys ja muut parametrit on otettu asiaankuuluvan kirjallisuuden mukaan. Jotta vaimennuskerrointa voidaan tutkia yhtenä vaikuttavana tekijänä, on vain yksi taajuus, nimittäin perustaajuus, laskettava ja analysoitava eri α-arvoilla olevan äänen fokusalueen muutoslakia varten. Tästä syystä kaavassa (3) suoritettiin sarja numeerisia laskelmia ottamalla M=1. Tulokset osoittavat, että vaimennuksen kasvaessa, eli kun α = 0,3, 13 ja 23 dB muhennos (cm·Mhz), -6 dB akustisen polttoalueen muoto muuttuu vähitellen pitkästä ellipsoidista lyhyeksi ellipsoidiksi ja sen pitkä akseli1 ja lyhyt akseli

 

2

Ne ovat 111, 104 ja 92. Polttoalueen sijainti (sijainti akustisella akselilla), kaksi jälkimmäistä ovat vastaavasti 30 mm ja 65 mm edellistä edellä anturin akustista akselia pitkin. Samanaikaisesti polttoalueen pää (anturin lähellä oleva pää) on 'rasvavampi' kuin sen häntä (pää kaukana anturista).

 

2 Korkean äänenvoimakkuuden aiheuttaman epälineaarisuuden vaikutus äänen fokusalueeseen on sama, pintasäteilyn äänenpaine lasketaan yhtenä tekijänä ja sen arvot ovat vastaavasti 44, 73, 4 MPa ja α = 3dB stew (cm·MHz). Ottaen huomioon, että väliaineen vaimennus kasvaa nopeasti harmonisen taajuuden kasvaessa, harmonisten lukumäärän ei tarvitse olla liikaa. Laskentatulokset osoittavat, että: pintasäteilyn äänenpaineen kasvaessa polttovyöhykkeen sijainti ja muoto muuttuvat toisin kuin vaimennuskertoimen muuttuessa. Se on niin suuri, mutta sen muuttuva laki on samanlainen. Toisin sanoen kahden jälkimmäisen polttoalueen paikkoja siirretään eteenpäin 16 mm ja 21 mm vastaavasti; 6 dB:n polttoalueen pitkän ja lyhyen akselin suhde on 119, 116 ja 113, ja myös polttoalueen päällä on taipumus tulla 'rasvaksi'.

 

3 Vaimennuksen ja epälineaarisuuden yhteisvaikutus äänen polttoväliin

Edellä mainitut kaksi tekijää sisällytetään samanaikaisesti laskennan kaavaan (3). Kuva 3(a) ja kuva 3(b) osoittavat, että α = 3 dB muhennos (cm·MHz), P′ 0 = 44 MPa ja α = 2,3 dB muhennos (cm·MHz), P′ 0 = 44 MPa

Kun otetaan huomioon vaimennus ja epälineaariset vaikutukset samanaikaisesti, isoäänipainelinjan ääriviiva polttoalueella on kuvan laskentatulos. Näihin kahteen verrattuna polttoalueen sijainti on siirtynyt eteenpäin 8,4 mm ja polttoalueen pää- ja sivuakselien suhde on muuttunut 11,9:stä 8,5:een. Se osoittaa, että vaimennuskertoimen ja epälineaarisuuden aiheuttama fokusalueen muutostrendi on sama, joten kokonaisvaikutus vahvistuu.

 

 

lopuksi

Tämän artikkelin teoreettiset analyysit ja laskentatulokset osoittavat, että korkea äänenvoimakkuus ja keskivaimennus vaikuttavat merkittävästi äänen polttoalueen muotoon ja sijaintiin; mitä suurempi väliaineen vaimennuskerroin, sitä suurempi äänen intensiteetti (eli sitä vahvempi epälineaarisuus) ja äänen fokusointi Mitä lähempänä kenttä on anturia; myös polttokentän pitkien ja lyhyiden akselien suhde pienenee, eli sen muoto muuttuu vähitellen pitkästä ellipsoidista lyhyeksi ellipsoidiksi ja äänen fokusalueen pää muuttuu 'lihavammaksi' kuin häntä. Ilmiö, muoto on yleensä 'porkkana'. Yllä olevat johtopäätökset antavat perustan kvantitatiiviselle analyysille äänen fokusalueen muutoslakista. HIFU pietsokeramiikkakenttä , ja tutkia tarkemmin äänen fokusalueen ja vaurioalueen välistä suhdetta.