अवतल गोलाकार HIFU ट्रांसड्यूसर की ध्वनि फोकल रेंज की स्थिति और आकार

उद्देश्य अवतल की ध्वनिक फोकल सीमा के आकार और ज्यामितीय स्थिति में परिवर्तन का अध्ययन करना गोलाकार अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर जब ध्वनि की तीव्रता अधिक होती है और माध्यम में बड़ा क्षीणन होता है। तरीके भौतिक ध्वनिकी के परिप्रेक्ष्य से, ध्वनि फोकल रेंज पर उच्च ध्वनि तीव्रता के कारण गैर-रैखिकता और मीडिया क्षीणन के प्रभावों का विश्लेषण किया जाता है, और संख्यात्मक सिमुलेशन गणना करने के लिए रेले इंटीग्रल के रैखिक सुपरपोजिशन एल्गोरिदम का उपयोग किया जाता है। सैद्धांतिक विश्लेषण और संख्यात्मक गणना दोनों से पता चलता है कि ध्वनि की तीव्रता और मध्यम क्षीणन में वृद्धि के साथ, ध्वनिक फोकल क्षेत्र की ज्यामितीय स्थिति में ट्रांसड्यूसर की दिशा में ध्वनिक अक्ष के साथ एक मिलीमीटर-स्तर की प्रगति होती है; उसी समय, ध्वनिक फोकल क्षेत्र का आकार धीरे-धीरे एक सममित लंबे दीर्घवृत्ताकार से 'मोटा सिर और पतली पूंछ' के साथ एक छोटे दीर्घवृत्ताकार में बदल गया।

 

उच्च ध्वनि तीव्रता और मध्यम क्षीणन का अवतल गोलाकार ट्रांसड्यूसर के ध्वनि फोकल क्षेत्र की स्थिति और आकार पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। एचआईएफयू उपकरण की सटीक स्थिति और खुराक नियंत्रण, निरीक्षण मानकों के निर्माण और यहां तक ​​कि नैदानिक ​​​​अनुप्रयोग पर पूरा ध्यान दिया जाना चाहिए।

 

मेरे देश ने उच्च तीव्रता केंद्रित अल्ट्रासाउंड (उच्च तीव्रता केंद्रित अल्ट्रासाउंड (एचआईएफयू) उपकरण) के विकास और नैदानिक ​​​​अनुप्रयोग में उल्लेखनीय सफलता हासिल की है। हालाँकि, वास्तव में उपकरण पर सटीक स्थिति और उपचार खुराक नियंत्रण प्राप्त करने के लिए, ताकि नैदानिक ​​​​उपचार आसपास के सामान्य ऊतकों को नुकसान पहुंचाए बिना घाव को प्रभावी ढंग से मारने का आदर्श प्रभाव प्राप्त कर सके, अभी भी कई सैद्धांतिक और तकनीकी मुद्दे हैं जिनका गहराई से अध्ययन और समाधान करने की आवश्यकता है। जैविक ऊतकों में एचआईएफयू की क्षति के गठन पर घरेलू और विदेशी प्रायोगिक अध्ययनों से पता चला है कि ध्वनि की तीव्रता में वृद्धि के साथ, फोकल ज़ोन की स्थिति आगे बढ़ती है और धीरे-धीरे एक लंबे दीर्घवृत्ताकार से 'टैडपोल आकार' या 'शंकु आकार' में बदल जाती है। हालाँकि हाल के वर्षों में, विदेशी साहित्य ने गैर-रेखीय ध्वनिक तरंग प्रसार समीकरण (KZK समीकरण) को संख्यात्मक रूप से हल करके उपरोक्त घटना के लिए कुछ गुणात्मक स्पष्टीकरण दिए हैं, लेकिन गणना प्रक्रिया जटिल है और गणना प्रक्रिया में भौतिक संबंध स्पष्ट नहीं है। इस कारण से, यह पेपर अवतल गोलाकार फोकसिंग ट्रांसड्यूसर को एक उदाहरण के रूप में लेता है, और ध्वनि फोकल रेंज पर उच्च ध्वनि तीव्रता के तहत माध्यम क्षीणन और गैर-रेखीय प्रसार विशेषताओं के प्रभाव का अध्ययन करके समस्या पर चर्चा करता है।

 

हमारे पिछले काम में, किरचॉफ विवर्तन इंटीग्रल के आधार पर, हमने एक अवतल के साथ रैखिक ध्वनि क्षेत्र की स्थिति के तहत एकल-आवृत्ति ध्वनि क्षेत्र में किसी भी बिंदु पर ध्वनि दबाव की अभिव्यक्ति प्राप्त की है गोलाकार फोकसिंग ट्रांसड्यूसर (जिसे रेले पॉइंट के लिए भी कहा जाता है)। सतह पर एक समान विकिरण के साथ

 

गैररेखीय ध्वनिकी सिद्धांत के विश्लेषण से, जब ट्रांसड्यूसर की सतह से माध्यम में उत्सर्जित एकल-आवृत्ति साइन तरंग का ध्वनि दबाव काफी बड़ा होता है, तो इसे 'परिमित आयाम तरंग' कहा जाता है, जो माध्यम में एक निश्चित दूरी तक फैलता है (जिसे असंतत दूरी कहा जाता है)। ), तरंगरूप एक सॉटूथ तरंग में विकृत हो जाएगा, जिसे शॉक वेव के रूप में भी माना जा सकता है। मूल उत्सर्जन की मौलिक आवृत्ति के अलावा, इस तरंग के आवृत्ति स्पेक्ट्रम में उच्च हार्मोनिक्स की एक श्रृंखला भी शामिल है। वे ध्वनि तरंगों के प्रसार के दौरान मूल तरंग से ऊर्जा को लगातार अवशोषित करके धीरे-धीरे उत्पन्न होते हैं, यानी अल्ट्रासाउंड चिकित्सा में ऊतक हार्मोनिक्स। आयाम गुणांक का उपयोग प्रसार दूरी और प्रसार के दौरान ऊर्जा परिवर्तन के संबंध के साथ उच्च-क्रम हार्मोनिक्स के प्रसार का वर्णन करने के लिए किया जा सकता है।

 

सॉटूथ तरंग एक दूरी बनाती है, इसलिए σ एक आयामहीन मात्रा है जो प्रसार दूरी को दर्शाती है। इसके आधार पर, हमने मौलिक तरंग और पहले 3 हार्मोनिक्स के आयाम गुणांक वक्र की गणना की है। जब ध्वनि तरंग माध्यम में फैलती है, तो ध्वनि का दबाव दूरी के साथ तेजी से घटता है, जिसे एक रूप में व्यक्त किया जा सकता है। सामान्य नरम ऊतकों के लिए, क्षीणन गुणांक टीएम लगभग आवृत्ति के समानुपाती होता है। गणना को सरल बनाने के लिए, यह लेख प्रत्येक हार्मोनिक घटक के क्षीणन गुणांक को व्यक्त करता है, जहां α प्रति इकाई दूरी पर जैविक ऊतकों में मौलिक आवृत्ति ध्वनि तरंग की ध्वनि क्षीणन प्रणाली है।

 

 

इसमें ध्वनि अवशोषण और ऊतक का बिखराव शामिल होना चाहिए। उपरोक्त दो कारकों (गैर-रैखिकता और क्षीणन) पर विचार करने के बाद, केंद्रित ध्वनि क्षेत्र में ध्वनि दबाव की अभिव्यक्ति को निम्नलिखित रूप में बढ़ाया जा सकता है: प्रत्येक हार्मोनिक की तरंग संख्या है। इस सूत्र को हम रेले इंटीग्रल का रैखिक सुपरपोजिशन एल्गोरिदम कहते हैं।

 

परिणाम:

 

1 ध्वनि फोकल रेंज पर मध्यम क्षीणन का प्रभाव

इस पेपर में प्रयुक्त इकाई अवतल गोलाकार ट्रांसड्यूसर के पैरामीटर हैं: वक्रता त्रिज्या आर = 15 सेमी, एपर्चर की त्रिज्या = 42 सेमी, कार्यशील आवृत्ति एफ = 1.7 मेगाहर्ट्ज। यह मानते हुए कि माध्यम सामान्य नरम ऊतक है, इसका क्षीणन गुणांक α 01-30dB स्टू (सेमी·एमजेड) की सीमा में है। ध्वनि वेग, घनत्व और माध्यम के अन्य पैरामीटर प्रासंगिक साहित्य के अनुसार लिए जाते हैं। एकल प्रभावशाली कारक के रूप में क्षीणन गुणांक का अध्ययन करने के लिए, विभिन्न α मानों के साथ ध्वनि फोकस डोमेन के परिवर्तन कानून के लिए केवल एक आवृत्ति, अर्थात् मौलिक आवृत्ति की गणना और विश्लेषण करने की आवश्यकता होती है। इस कारण से, सूत्र (3) में, M=1 लेकर संख्यात्मक गणनाओं की एक श्रृंखला की गई। नतीजे बताते हैं कि क्षीणन में वृद्धि के साथ, यानी, जब α = 0.3, 13 और 23 डीबी स्टू (सेमी·मेगाहर्ट्ज), -6 डीबी ध्वनिक फोकल क्षेत्र का आकार धीरे-धीरे एक लंबे दीर्घवृत्ताकार से एक छोटे दीर्घवृत्ताकार में बदल जाता है, और इसकी लंबी धुरी1 और छोटी धुरी

 

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वे क्रमशः 111, 104 और 92 हैं। फोकल ज़ोन की स्थिति (ध्वनिक अक्ष पर स्थिति), बाद वाले दो ट्रांसड्यूसर के ध्वनिक अक्ष के साथ क्रमशः पूर्व से 30 मिमी और 65 मिमी आगे हैं। साथ ही, फोकल ज़ोन का सिर (ट्रांसड्यूसर के करीब वाला सिरा) उसकी पूंछ (ट्रांसड्यूसर से दूर वाला सिरा) की तुलना में अधिक 'मोटा' होता है।

 

2 ध्वनि फोकस रेंज पर उच्च ध्वनि तीव्रता के कारण गैर-रैखिकता का प्रभाव समान होता है, सतह विकिरण ध्वनि दबाव को एक कारक के रूप में माना जाता है, और इसके मान क्रमशः 44, 73, 4 एमपीए, और α = 3 डीबी स्टू (सेमी·मेगाहर्ट्ज) हैं। यह ध्यान में रखते हुए कि हार्मोनिक आवृत्ति में वृद्धि के साथ माध्यम का क्षीणन तेजी से बढ़ता है, हार्मोनिक्स की संख्या बहुत अधिक होने की आवश्यकता नहीं है। गणना परिणाम बताते हैं कि: जैसे-जैसे सतह विकिरण ध्वनि दबाव बढ़ता है, फोकल ज़ोन की स्थिति और आकार बदल जाता है, इसके विपरीत जब क्षीणन गुणांक बदलता है तो यह बहुत बड़ा होता है, लेकिन इसका बदलता नियम समान होता है। अर्थात्, बाद के दो फोकल क्षेत्रों की स्थिति क्रमशः 16 मिमी और 21 मिमी आगे बढ़ जाती है; 6dB फोकल क्षेत्र की लंबी और छोटी धुरी का अनुपात क्रमशः 119, 116 और 113 है, और फोकल क्षेत्र के शीर्ष में भी 'मोटा' होने की प्रवृत्ति होती है।

 

3 ध्वनि फोकल रेंज पर क्षीणन और गैर-रैखिकता का संयुक्त प्रभाव

गणना के लिए उपरोक्त दोनों कारकों को एक साथ सूत्र (3) में शामिल किया गया है। चित्र 3(ए) और चित्र 3(बी) क्रमशः दर्शाते हैं कि α=3dB स्टू (सेमी·मेगाहर्ट्ज), P′ 0=44MPa और α=2.3dB स्टू (सेमी·मेगाहर्ट्ज), P′ 0=44MPa

एक ही समय में क्षीणन और गैर-रेखीय प्रभावों पर विचार करते समय, फोकल ज़ोन में आइसो-ध्वनि दबाव रेखा का समोच्च चित्र में गणना परिणाम होता है। दोनों की तुलना में, फोकल ज़ोन की स्थिति 8.4 मिमी आगे बढ़ गई है, और फोकल ज़ोन की प्रमुख और छोटी अक्षों का अनुपात 11.9 से 8.5 तक बदल गया है। यह दर्शाता है कि क्षीणन गुणांक और गैर-रैखिकता के कारण फोकल ज़ोन में परिवर्तन की प्रवृत्ति समान है, इसलिए समग्र प्रभाव मजबूत होता है।

 

 

निष्कर्ष के तौर पर

इस पेपर में सैद्धांतिक विश्लेषण और गणना परिणाम बताते हैं कि उच्च ध्वनि तीव्रता और मध्यम क्षीणन का ध्वनि फोकल क्षेत्र के आकार और स्थिति पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है; माध्यम का क्षीणन गुणांक जितना अधिक होगा, ध्वनि की तीव्रता उतनी ही अधिक होगी (अर्थात, गैर-रैखिकता जितनी मजबूत होगी), और ध्वनि फोकस क्षेत्र ट्रांसड्यूसर के जितना करीब होगा; फ़ोकल क्षेत्र की लंबी और छोटी अक्षों का अनुपात भी छोटा हो जाता है, अर्थात, इसका आकार धीरे-धीरे लंबे दीर्घवृत्ताभ से छोटे दीर्घवृत्ताकार में बदल जाता है, और ध्वनि फ़ोकस क्षेत्र का सिर पूंछ की तुलना में 'मोटा' हो जाता है। घटना, आकार आमतौर पर 'गाजर' जैसा होता है। उपरोक्त निष्कर्ष ध्वनि फोकस क्षेत्र के परिवर्तन कानून का मात्रात्मक विश्लेषण करने के लिए एक आधार प्रदान करते हैं HIFU पीजो सिरेमिक क्षेत्र, और आगे ध्वनि फोकस क्षेत्र और क्षति क्षेत्र के बीच संबंध का अध्ययन करें।