La posizione e la forma della gamma focale del suono del trasduttore HIFU sferico concavo

Obiettivo Studiare i cambiamenti nella forma e nella posizione geometrica del campo focale acustico del concavo trasduttore ultrasonico sferico quando l'intensità del suono è elevata e il mezzo ha una grande attenuazione. Metodi Dal punto di vista dell'acustica fisica, vengono analizzati gli effetti della non linearità e dell'attenuazione dei mezzi causati dall'elevata intensità del suono sulla gamma focale del suono e l'algoritmo di sovrapposizione lineare dell'integrale di Rayleigh viene utilizzato per eseguire calcoli di simulazione numerica. Sia l'analisi teorica che il calcolo numerico mostrano che all'aumentare dell'intensità sonora e dell'attenuazione media, la posizione geometrica della zona focale acustica presenta un avanzamento millimetrico lungo l'asse acustico in direzione del trasduttore; allo stesso tempo, la zona focale acustica. La forma cambiò gradualmente da un lungo ellissoide simmetrico a un corto ellissoide con una 'testa grassa e coda sottile'.

 

L'elevata intensità del suono e l'attenuazione media hanno un'influenza importante sulla posizione e sulla forma della regione focale del suono del trasduttore sferico concavo. Dovrebbe essere data piena considerazione al posizionamento preciso e al controllo della dose delle apparecchiature HIFU, alla formulazione degli standard di ispezione e persino all'applicazione clinica.

 

il mio paese ha fatto notevoli progressi nello sviluppo e nell’applicazione clinica degli ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (apparecchiature per ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU)). Tuttavia, per ottenere veramente un posizionamento accurato e un controllo della dose di trattamento sull’apparecchiatura, in modo che il trattamento clinico possa ottenere l’effetto ideale di uccidere efficacemente la lesione senza danneggiare i tessuti normali circostanti, ci sono ancora molte questioni teoriche e tecniche che devono essere studiate e risolte in modo approfondito. Studi sperimentali nazionali ed esteri sulla formazione di danni da HIFU nei tessuti biologici hanno dimostrato che con l'aumento dell'intensità del suono, la posizione della zona focale si sposta in avanti e cambia gradualmente da un lungo ellissoide a una 'forma di girino' o una 'forma di cono'. Sebbene negli ultimi anni la letteratura straniera abbia fornito alcune spiegazioni qualitative per il fenomeno di cui sopra risolvendo numericamente l'equazione della propagazione non lineare delle onde acustiche (equazione KZK), la procedura di calcolo è complicata e la relazione fisica nel processo di calcolo non è chiara. Per questo motivo, questo articolo prende come esempio il trasduttore di focalizzazione sferico concavo e discute il problema studiando l'influenza dell'attenuazione media e delle caratteristiche di propagazione non lineare in condizioni di elevata intensità sonora sulla gamma focale del suono.

 

Nel nostro lavoro precedente, basato sull'integrale di diffrazione di Kirchhoff, abbiamo derivato l'espressione della pressione sonora in qualsiasi punto del campo sonoro a singola frequenza nella condizione di un campo sonoro lineare con un'area concava trasduttore sferico di focalizzazione con radiazione uniforme sulla superficie (chiamato anche per punti di Rayleigh).

 

Dall'analisi della teoria dell'acustica non lineare, quando la pressione sonora dell'onda sinusoidale a frequenza singola irradiata dalla superficie del trasduttore nel mezzo è sufficientemente grande, viene chiamata 'onda di ampiezza finita', che si propaga per una certa distanza nel mezzo (chiamata distanza discontinua). ), la forma d'onda verrà distorta in un'onda a dente di sega, che può anche essere considerata un'onda d'urto. Lo spettro di frequenza di quest'onda comprende oltre alla frequenza fondamentale dell'emissione originaria anche una serie di armoniche superiori. Vengono generati gradualmente assorbendo continuamente energia dall'onda fondamentale durante la propagazione delle onde sonore, ovvero le armoniche tissutali nella medicina ecografica. Il coefficiente di ampiezza può essere utilizzato per descrivere la propagazione delle armoniche di ordine superiore con la distanza di propagazione e la relazione dei cambiamenti di energia durante la propagazione.

 

L'onda a dente di sega forma una distanza, quindi σ è una quantità adimensionale che riflette la distanza di propagazione. In base a ciò abbiamo calcolato la curva del coefficiente di ampiezza dell'onda fondamentale e delle prime 3 armoniche. Quando l'onda sonora si propaga nel mezzo, la pressione sonora decade in modo esponenziale con la distanza, cosa che può essere espressa in una forma. Per i tessuti molli in generale, il coefficiente di attenuazione TM è approssimativamente proporzionale alla frequenza. Per semplificare il calcolo, questo articolo esprime il coefficiente di attenuazione di ciascuna componente armonica come dove α è il sistema di attenuazione sonora dell'onda sonora a frequenza fondamentale nei tessuti biologici per unità di distanza.

 

 

Dovrebbe includere l'assorbimento acustico e la dispersione del tessuto. Dopo aver considerato i due fattori sopra indicati (non linearità e attenuazione), l'espressione della pressione sonora nel campo sonoro focalizzato può essere estesa alla seguente forma: è il numero d'onda di ciascuna armonica. Questa formula è ciò che chiamiamo algoritmo di sovrapposizione lineare dell'integrale di Rayleigh.

 

Risultato:

 

1 L'influenza dell'attenuazione media sulla gamma focale del suono

I parametri del trasduttore sferico concavo utilizzato in questo articolo sono: raggio di curvatura R = 15 cm, raggio di apertura a = 42 cm, frequenza di lavoro f = 1,7 MHz. Supponendo che il mezzo sia un tessuto molle generico, il suo coefficiente di attenuazione α è compreso tra 01 e 30 dB (cm·Mz). La velocità del suono, la densità e altri parametri del mezzo sono presi secondo la letteratura pertinente. Per studiare il coefficiente di attenuazione come singolo fattore di influenza, è necessario calcolare e analizzare solo una singola frequenza, vale a dire la frequenza fondamentale, per la legge di cambiamento del dominio del fuoco del suono con diversi valori α. Per questo motivo nella formula (3) sono stati effettuati una serie di calcoli numerici ponendo M=1. I risultati mostrano che con l'aumento dell'attenuazione, cioè quando α = 0,3, 13 e 23 dB (cm·Mhz), la forma della regione focale acustica a -6 dB cambia gradualmente da un ellissoide lungo a un ellissoide corto, e il suo asse lungo1 e asse corto

 

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Sono rispettivamente 111, 104 e 92. La posizione della zona focale (posizione sull'asse acustico), le ultime due sono rispettivamente 30mm e 65mm davanti alla prima lungo l'asse acustico del trasduttore. Allo stesso tempo, la testa della zona focale (l'estremità vicina al trasduttore) è più 'grassa' della sua coda (l'estremità lontana dal trasduttore).

 

2 L'effetto della non linearità causata da un'elevata intensità sonora sul campo del fuoco del suono è lo stesso, la pressione sonora della radiazione superficiale è considerata come un singolo fattore e i suoi valori sono rispettivamente 44, 73, 4 MPa e α = 3 dB stew (cm·MHz). Considerando che l'attenuazione del mezzo aumenta rapidamente con l'aumento della frequenza armonica, non è necessario che il numero di armoniche sia eccessivo. I risultati del calcolo mostrano che: all'aumentare della pressione sonora della radiazione superficiale, la posizione e la forma della zona focale cambiano a differenza di quando cambia il coefficiente di attenuazione. È così grande, ma la sua legge di cambiamento è simile. Cioè le posizioni di queste ultime due aree focali vengono spostate in avanti rispettivamente di 16mm e 21mm; il rapporto tra l'asse lungo e quello corto dell'area focale da 6 dB è rispettivamente 119, 116 e 113, e anche la testa dell'area focale ha la tendenza a diventare 'grassa'.

 

3 L'effetto combinato di attenuazione e non linearità sulla gamma focale del suono

I due fattori precedenti sono incorporati contemporaneamente nella formula (3) per il calcolo. La Figura 3(a) e la Figura 3(b) mostrano rispettivamente che α=3dB stufato (cm·MHz), P′ 0=44MPa e α=2,3 dB stufato (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Quando si considerano contemporaneamente l'attenuazione e gli effetti non lineari, il risultato del calcolo nella figura è il contorno della linea di pressione iso-sonica nella zona focale. Rispetto ai due, la posizione della zona focale è spostata in avanti di 8,4 mm e il rapporto tra gli assi maggiore e minore della zona focale è cambiato da 11,9 a 8,5. Mostra che l'andamento del cambiamento della zona focale causato dal coefficiente di attenuazione e dalla non linearità è lo stesso, quindi l'effetto complessivo è rafforzato.

 

 

Insomma

L'analisi teorica e i risultati dei calcoli contenuti in questo documento mostrano che un'elevata intensità sonora e un'attenuazione media hanno un'influenza importante sulla forma e sulla posizione della zona focale del suono; maggiore è il coefficiente di attenuazione del mezzo, maggiore è l'intensità del suono (ovvero, più forte la non linearità) e il fuoco del suono. Quanto più vicino è il campo al trasduttore; anche il rapporto tra gli assi lungo e corto del campo focale diventa più piccolo, cioè la sua forma cambia gradualmente da un lungo ellissoide a un corto ellissoide, e la testa dell'area di messa a fuoco del suono diventa 'grassa' rispetto alla coda. Fenomeno, la forma tende ad essere 'carota'. Le conclusioni di cui sopra forniscono una base per analizzare quantitativamente la legge di cambiamento dell'area di interesse del suono Campo ceramico piezoelettrico HIFU e studiare ulteriormente la relazione tra l'area di messa a fuoco del suono e l'area danneggiata.