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目的 凹面の音響焦点範囲の形状と幾何学的位置の変化を研究すること 球状超音波トランスデューサを使用します。 音の強度が高く、媒体の減衰が大きい場合には、方法 物理音響学の観点から、音響焦点範囲に対する高音響強度によって引き起こされる非線形性と媒体減衰の影響を分析し、レイリー積分の線形重ね合わせアルゴリズムを使用して数値シミュレーション計算を実行します。理論的解析と数値計算の両方から、音の強度と媒体の減衰が増加すると、音響焦点ゾーンの幾何学的位置が音響軸に沿ってトランスデューサの方向にミリメートルレベルで進むことが示されています。同時に、音響焦点ゾーンの形状は、対称的な長い楕円体から「太い頭と細い尾」を備えた短い楕円体に徐々に変化しました。
高い音響強度と中程度の減衰は、凹面球面トランスデューサーの音の焦点領域の位置と形状に重要な影響を与えます。 HIFU 機器の正確な位置決めと線量制御、検査基準の策定、さらには臨床応用についても十分に考慮する必要があります。
私の国は、高密度焦点式超音波（高密度焦点式超音波（HIFU）装置）の開発と臨床応用において目覚ましい進歩を遂げました。しかし、機器上で正確な位置決めと治療線量制御を真に実現し、臨床治療で周囲の正常組織を損傷することなく病変を効果的に死滅させるという理想的な効果を達成するには、深く研究して解決する必要がある理論的および技術的問題がまだ多くあります。生物組織におけるHIFUの損傷の形成に関する国内外の実験研究では、音の強度が増加するにつれて、焦点ゾーンの位置が前方に移動し、長い楕円体から「オタマジャクシ形状」または「円錐形」に徐々に変化することが示されています。近年、海外の文献では非線形音響波伝播方程式（KZK方程式）を数値的に解くことで上記の現象を定性的に説明していますが、計算手順が複雑であり、計算過程における物理的関係も不明瞭です。このため、本論文では、凹面球面集束トランスデューサを例として、高音響強度下での媒体減衰と非線形伝播特性が音響焦点範囲に及ぼす影響を研究することによって問題を議論する。
私たちの以前の研究では、キルヒホッフ回折積分に基づいて、凹面のある線形音場の条件下での単一周波数音場内の任意の点における音圧の式を導出しました。 球形の集束トランスデューサ(レイリー点とも呼ばれます)。 表面上に均一な放射を持つ
非線形音響理論の分析から、トランスデューサの表面から媒質内に放射される単一周波数正弦波の音圧が十分に大きい場合、その音は「有限振幅波」と呼ばれ、媒質内を一定距離（不連続距離と呼ばれます）伝播します。 ) の場合、波形はノコギリ波に歪みますが、これは衝撃波とみなすこともできます。元の放射の基本周波数に加えて、この波の周波数スペクトルには一連の高調波も含まれています。これらは、音波の伝播中に基本波、つまり超音波医学における組織高調波からエネルギーを吸収し続けることによって徐々に生成されます。振幅係数を使用すると、高次高調波の伝播と伝播距離および伝播中のエネルギー変化の関係を説明できます。
鋸歯状波は距離を形成するため、σ は伝播距離を反映する無次元量です。これに基づいて、基本波と最初の 3 高調波の振幅係数曲線を計算しました。音波が媒質中を伝播するとき、音圧は距離とともに指数関数的に減衰し、それを形で表すことができます。一般的な軟組織の場合、減衰係数 TM は周波数にほぼ比例します。計算を簡略化するために、本稿では各高調波成分の減衰係数を次のように表します。ここで、αは生体組織における単位距離あたりの基本周波数音波の音響減衰系です。
これには、組織の吸音と散乱が含まれる必要があります。上記の 2 つの要素 (非線形性と減衰) を考慮した後、集束音場の音圧の表現は次の形式に拡張できます。 は各高調波の波数です。この式は、レイリー積分の線形重ね合わせアルゴリズムと呼ばれるものです。
結果：
1 音の焦点範囲に対する中程度の減衰の影響
この論文で使用される単位凹面球面トランスデューサのパラメータは、曲率半径 R = 15 cm、開口半径 a = 42 cm、動作周波数 f = 1.7 MHz です。媒体が一般的な軟組織であると仮定すると、その減衰係数αは01～30dBシチュー(cm・Mz)の範囲にあります。媒体の音速、密度およびその他のパラメータは、関連する文献に従って取得されます。単一の影響因子としての減衰係数を研究するには、単一の周波数、つまり基本周波数のみを計算し、異なるα値でサウンドフォーカス領域の変化則を解析する必要があります。このため、式（３）においては、Ｍ＝１として一連の数値計算を行った。結果は、減衰の増加に伴い、つまりα = 0.3、13、および 23dB シチュー (cm・Mhz) の場合、-6dB 音響焦点領域の形状が長楕円体から短楕円体、およびその長軸 1 と短軸に徐々に変化することを示しています。
2
それぞれ 111、104、92 です。焦点ゾーンの位置（音響軸上の位置）、後者の 2 つはトランスデューサの音響軸に沿って前者よりそれぞれ 30 mm と 65 mm 前にあります。同時に、焦点ゾーンの頭部 (トランスデューサーに近い端) は、その尾部 (トランスデューサーから遠い端) よりも「太い」です。
2 音の焦点範囲に対する高い音の強度によって引き起こされる非線形性の影響は同じであり、表面放射音圧は単一の要素として考慮され、その値はそれぞれ 44、73、4 MPa、α = 3dB シチュー (cm・MHz) です。高調波周波数の増加とともに媒体の減衰が急激に増加することを考慮すると、高調波の数はあまり多くする必要はありません。計算結果は、表面放射音圧が増加すると、減衰係数が変化する場合とは異なり、焦点ゾーンの位置と形状が変化することを示しています。これは非常に大きいですが、その変化の法則は似ています。つまり、後の 2 つの焦点エリアの位置は、それぞれ 16mm と 21mm 前方に移動します。 6dBの焦点エリアの長軸と短軸の比はそれぞれ119、116、113であり、焦点エリアの頭部も「太る」傾向があります。
3 音響焦点範囲に対する減衰と非線形性の複合効果
上記 2 つの要素を同時に式 (3) に組み込んで計算します。図 3(a) と図 3(b) はそれぞれ、α=3dB シチュー (cm・MHz)、P' 0 =44MPa、α=2.3dB シチュー (cm・MHz)、P' 0=44MPa であることを示しています。
減衰と非線形効果を同時に考慮した場合の焦点ゾーンにおける等音圧線の等高線が図の計算結果となります。両者を比較すると、合焦部の位置が8.4mm前方に移動し、合焦部の長径と短径の比が11.9から8.5に変化しました。減衰係数と非線形性による焦点ゾーンの変化傾向が同じであるため、全体の効果が強化されることがわかります。
結論は
この論文の理論的分析と計算結果は、高い音の強度と中程度の減衰が音の焦点ゾーンの形状と位置に重要な影響を与えることを示しています。媒体の減衰係数が大きいほど、音の強度が高くなり（つまり、非線形性が強くなり）、音の焦点がトランスデューサーに近づくほど大きくなります。焦点フィールドの長軸と短軸の比も小さくなり、その形状は長い楕円体から短い楕円体に徐々に変化し、音の焦点領域の先頭が尾部に比べて「太」くなります。形状が「にんじん」になりやすい現象。上記の結論は、健全な焦点領域の変化の法則を定量的に分析するための基礎を提供します。 HIFU ピエゾセラミックス 分野では、音の集中領域と損傷領域の関係をさらに研究しています。
