Posisi dan bentuk rentang fokus suara transduser HIFU bulat cekung

Tujuan Mempelajari perubahan bentuk dan posisi geometri daerah fokus akustik cekung transduser ultrasonik bulat ketika intensitas suara tinggi dan media memiliki redaman yang besar. Metode Dari perspektif akustik fisik, efek nonlinier dan redaman media yang disebabkan oleh intensitas suara tinggi pada rentang fokus suara dianalisis, dan algoritma superposisi linier integral Rayleigh digunakan untuk melakukan perhitungan simulasi numerik. Baik analisis teoretis maupun perhitungan numerik menunjukkan bahwa dengan peningkatan intensitas suara dan redaman medium, posisi geometris zona fokus akustik mengalami kenaikan tingkat milimeter sepanjang sumbu akustik ke arah transduser; pada saat yang sama, zona fokus akustik Bentuknya berangsur-angsur berubah dari ellipsoid panjang simetris menjadi ellipsoid pendek dengan 'kepala gemuk dan ekor tipis'.

 

Intensitas suara yang tinggi dan redaman sedang mempunyai pengaruh penting terhadap posisi dan bentuk daerah fokus suara pada transduser bola cekung. Pertimbangan penuh harus diberikan pada penempatan yang tepat dan kontrol dosis peralatan HIFU, perumusan standar inspeksi, dan bahkan penerapan klinis.

 

negara saya telah membuat terobosan luar biasa dalam pengembangan dan penerapan klinis peralatan ultrasonografi terfokus intensitas tinggi (peralatan ultrasonografi terfokus intensitas tinggi (HIFU)). Namun, untuk benar-benar mencapai posisi yang akurat dan kontrol dosis pengobatan pada peralatan, sehingga pengobatan klinis dapat mencapai efek ideal yaitu membunuh lesi secara efektif tanpa merusak jaringan normal di sekitarnya, masih banyak masalah teoritis dan teknis yang perlu dipelajari dan diselesaikan secara mendalam. Studi eksperimental dalam dan luar negeri tentang pembentukan kerusakan HIFU pada jaringan biologis telah menunjukkan bahwa dengan peningkatan intensitas suara, posisi zona fokus bergerak maju dan secara bertahap berubah dari ellipsoid panjang menjadi 'bentuk kecebong' atau 'bentuk kerucut'. Meskipun dalam beberapa tahun terakhir, literatur asing telah membuat beberapa penjelasan kualitatif untuk fenomena di atas dengan menyelesaikan persamaan rambat gelombang akustik nonlinier (persamaan KZK) secara numerik, namun prosedur penghitungannya rumit dan hubungan fisik dalam proses penghitungan tidak jelas. Oleh karena itu, makalah ini mengambil contoh transduser pemfokusan bola cekung, dan membahas masalah tersebut dengan mempelajari pengaruh redaman medium dan karakteristik propagasi nonlinier di bawah intensitas suara tinggi pada rentang fokus suara.

 

Dalam pekerjaan kami sebelumnya, berdasarkan integral difraksi Kirchhoff, kami telah memperoleh ekspresi tekanan suara di setiap titik dalam medan suara frekuensi tunggal di bawah kondisi medan suara linier dengan cekung. transduser pemfokusan bola dengan radiasi seragam di permukaan (juga disebut titik For Rayleigh).

 

Dari analisis teori akustik nonlinier, ketika tekanan suara gelombang sinus frekuensi tunggal yang dipancarkan dari permukaan transduser ke dalam medium cukup besar, maka disebut 'gelombang amplitudo terbatas', yang merambat pada jarak tertentu dalam medium (disebut jarak terputus-putus). ), bentuk gelombangnya akan terdistorsi menjadi gelombang gigi gergaji, yang juga dapat dianggap sebagai gelombang kejut. Selain frekuensi dasar emisi aslinya, spektrum frekuensi gelombang ini juga mencakup rangkaian harmonik yang lebih tinggi. Mereka dihasilkan secara bertahap dengan terus menerus menyerap energi dari gelombang fundamental selama perambatan gelombang suara, yaitu harmonik jaringan dalam pengobatan ultrasound. Koefisien amplitudo dapat digunakan untuk menggambarkan perambatan harmonik tingkat tinggi dengan jarak rambat dan hubungan perubahan energi selama perambatan.

 

Gelombang gigi gergaji membentuk jarak, jadi σ adalah besaran tak berdimensi yang mencerminkan jarak rambat. Berdasarkan hal ini, kami telah menghitung kurva koefisien amplitudo gelombang fundamental dan 3 harmonik pertama. Ketika gelombang suara merambat dalam medium, tekanan suara berkurang secara eksponensial terhadap jarak, yang dapat dinyatakan dalam bentuk. Untuk jaringan lunak umum, koefisien atenuasi TM kira-kira sebanding dengan frekuensi. Untuk menyederhanakan penghitungan, artikel ini menyatakan koefisien atenuasi setiap komponen harmonik dengan α adalah sistem redaman suara dari gelombang suara frekuensi dasar dalam jaringan biologis per satuan jarak.

 

 

Ini harus mencakup penyerapan suara dan hamburan jaringan. Setelah mempertimbangkan dua faktor di atas (non-linearitas dan redaman), ekspresi tekanan suara dalam bidang suara terfokus dapat diperluas ke bentuk berikut: adalah bilangan gelombang masing-masing harmonik. Rumus inilah yang kita sebut sebagai algoritma superposisi linier integral Rayleigh.

 

Hasil:

 

1 Pengaruh redaman sedang pada rentang fokus suara

Parameter unit transduser bola cekung yang digunakan dalam makalah ini adalah: jari-jari kelengkungan R = 15 cm, jari-jari bukaan a = 42 cm, frekuensi kerja f = 1,7 MHz. Dengan asumsi bahwa medianya adalah jaringan lunak umum, koefisien atenuasinya berada dalam kisaran rebusan 01-30dB (cm·Mz). Kecepatan suara, kepadatan dan parameter medium lainnya diambil sesuai dengan literatur yang relevan. Untuk mempelajari koefisien atenuasi sebagai faktor tunggal yang mempengaruhi, hanya satu frekuensi saja yaitu frekuensi fundamental yang perlu dihitung dan dianalisis hukum perubahan domain fokus bunyi dengan nilai α yang berbeda. Oleh karena itu, pada rumus (3) dilakukan serangkaian perhitungan numerik dengan mengambil M=1. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan meningkatnya redaman, yaitu ketika α = 0,3, 13 dan 23dB rebusan (cm·Mhz), bentuk daerah fokus akustik -6dB secara bertahap berubah dari ellipsoid panjang menjadi ellipsoid pendek, dan sumbu panjang1 dan sumbu pendeknya

 

2

Masing-masing berjumlah 111, 104, dan 92. Posisi zona fokus (posisi pada sumbu akustik), dua yang terakhir masing-masing berada 30mm dan 65mm di depan yang pertama sepanjang sumbu akustik transduser. Pada saat yang sama, kepala zona fokus (ujung yang dekat dengan transduser) lebih “gemuk” dibandingkan ekornya (ujung yang jauh dari transduser).

 

2 Pengaruh non-linearitas yang disebabkan oleh intensitas suara yang tinggi pada rentang fokus suara adalah sama, tekanan suara radiasi permukaan dianggap sebagai faktor tunggal, dan nilainya masing-masing 44, 73, 4 MPa, dan α = 3dB stew (cm·MHz). Mengingat redaman medium meningkat pesat seiring dengan meningkatnya frekuensi harmonik, maka jumlah harmonisa tidak perlu terlalu banyak. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa: dengan meningkatnya tekanan suara radiasi permukaan, posisi dan bentuk zona fokus berubah, tidak seperti ketika koefisien atenuasi berubah. Besar sekali, tetapi hukum perubahannya serupa. Artinya, posisi dua area fokus terakhir dimajukan masing-masing sebesar 16mm dan 21mm; rasio sumbu panjang dan pendek area fokus 6dB masing-masing adalah 119, 116, dan 113, dan kepala area fokus juga cenderung menjadi 'gemuk'.

 

3 Efek gabungan dari redaman dan nonlinier pada rentang fokus suara

Kedua faktor di atas secara bersamaan dimasukkan ke dalam rumus (3) untuk perhitungan. Gambar 3(a) dan Gambar 3(b) masing-masing menunjukkan bahwa α=3dB rebusan (cm·MHz), P′ 0=44MPa dan α=2.3dB rebusan (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Saat mempertimbangkan redaman dan efek nonlinier secara bersamaan, kontur garis tekanan iso-suara di zona fokus adalah hasil perhitungan pada gambar. Dibandingkan dengan keduanya, posisi zona fokus telah maju sebesar 8,4 mm, dan rasio sumbu mayor dan minor zona fokus telah berubah dari 11,9 menjadi 8,5. Hal ini menunjukkan bahwa tren perubahan zona fokus yang disebabkan oleh koefisien atenuasi dan nonlinier adalah sama, sehingga pengaruh keseluruhannya diperkuat.

 

 

sebagai kesimpulan

Hasil analisis dan perhitungan teoritis dalam makalah ini menunjukkan bahwa intensitas suara tinggi dan redaman sedang mempunyai pengaruh penting terhadap bentuk dan posisi zona fokus suara; semakin besar koefisien atenuasi medium, semakin tinggi intensitas suara (yaitu, semakin kuat nonliniernya), dan fokus suara Semakin dekat medan ke transduser; perbandingan sumbu panjang dan pendek bidang fokus juga menjadi lebih kecil, yaitu bentuknya berangsur-angsur berubah dari ellipsoid panjang menjadi ellipsoid pendek, dan kepala daerah fokus bunyi menjadi “gemuk” dibandingkan ekor. Fenomenanya, bentuknya cenderung 'wortel'. Kesimpulan di atas memberikan dasar untuk menganalisis secara kuantitatif hukum perubahan area fokus yang sehat bidang keramik piezo HIFU , dan mempelajari lebih lanjut hubungan antara area fokus suara dan area kerusakan.