Kedudukan dan bentuk julat fokus bunyi transduser HIFU sfera cekung

Objektif Mengkaji perubahan bentuk dan kedudukan geometri julat fokus akustik cekung transduser ultrasonik sfera apabila keamatan bunyi tinggi dan medium mempunyai pengecilan yang besar. Kaedah Daripada perspektif akustik fizikal, kesan ketaklinearan dan pengecilan media yang disebabkan oleh keamatan bunyi yang tinggi pada julat fokus bunyi dianalisis, dan algoritma superposisi linear kamiran Rayleigh digunakan untuk melakukan pengiraan simulasi berangka. Kedua-dua analisis teori dan pengiraan berangka menunjukkan bahawa dengan peningkatan keamatan bunyi dan pengecilan sederhana, kedudukan geometri zon fokus akustik mempunyai pendahuluan tahap milimeter sepanjang paksi akustik ke arah transduser; pada masa yang sama, zon fokus akustik Bentuk secara beransur-ansur berubah daripada elipsoid panjang simetri kepada ellipsoid pendek dengan 'kepala gemuk dan ekor nipis'.

 

Keamatan bunyi yang tinggi dan pengecilan sederhana mempunyai pengaruh penting pada kedudukan dan bentuk kawasan fokus bunyi transduser sfera cekung. Pertimbangan penuh harus diberikan kepada kedudukan tepat dan kawalan dos peralatan HIFU, perumusan piawaian pemeriksaan, dan juga aplikasi klinikal.

 

negara saya telah membuat penemuan yang luar biasa dalam pembangunan dan aplikasi klinikal ultrabunyi berintensiti tinggi (peralatan fokus ultrabunyi intensiti tinggi (HIFU)). Walau bagaimanapun, untuk benar-benar mencapai kedudukan yang tepat dan kawalan dos rawatan pada peralatan, supaya rawatan klinikal dapat mencapai kesan ideal untuk membunuh lesi secara berkesan tanpa merosakkan tisu normal di sekelilingnya, masih terdapat banyak isu teori dan teknikal yang perlu dikaji dan diselesaikan secara mendalam. Kajian eksperimen domestik dan asing mengenai pembentukan kerosakan HIFU dalam tisu biologi telah menunjukkan bahawa dengan peningkatan keamatan bunyi, kedudukan zon fokus bergerak ke hadapan dan secara beransur-ansur berubah daripada ellipsoid panjang kepada 'bentuk berudu' atau 'bentuk kon'. Walaupun dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kesusasteraan asing telah membuat beberapa penjelasan kualitatif untuk fenomena di atas dengan menyelesaikan secara numerik persamaan perambatan gelombang akustik tak linear (persamaan KZK), tetapi prosedur pengiraan adalah rumit dan hubungan fizikal dalam proses pengiraan tidak jelas. Atas sebab ini, kertas ini mengambil transduser pemfokusan sfera cekung sebagai contoh, dan membincangkan masalah dengan mengkaji pengaruh pengecilan sederhana dan ciri perambatan tak linear di bawah intensiti bunyi yang tinggi pada julat fokus bunyi.

 

Dalam kerja kami sebelum ini, berdasarkan kamiran pembelauan Kirchhoff, kami telah memperoleh ungkapan tekanan bunyi pada mana-mana titik dalam medan bunyi frekuensi tunggal di bawah keadaan medan bunyi linear dengan cekung. transduser pemfokusan sfera dengan sinaran seragam pada permukaan (juga dipanggil Untuk mata Rayleigh).

 

Daripada analisis teori akustik tak linear, apabila tekanan bunyi gelombang sinus frekuensi tunggal yang dipancarkan dari permukaan transduser ke dalam medium cukup besar, ia dipanggil 'gelombang amplitud terhingga', yang merambat jarak tertentu dalam medium (dipanggil jarak tak selanjar). ), bentuk gelombang akan diherotkan menjadi gelombang gigi gergaji, yang juga boleh dianggap sebagai gelombang kejutan. Sebagai tambahan kepada frekuensi asas pancaran asal, spektrum frekuensi gelombang ini juga termasuk satu siri harmonik yang lebih tinggi. Mereka dijana secara beransur-ansur dengan terus menyerap tenaga daripada gelombang asas semasa penyebaran gelombang bunyi, iaitu harmonik tisu dalam perubatan ultrasound. Pekali amplitud boleh digunakan untuk menerangkan perambatan harmonik tertib tinggi dengan jarak perambatan dan hubungan perubahan tenaga semasa perambatan.

 

Gelombang gigi gergaji membentuk jarak, jadi σ ialah kuantiti tanpa dimensi yang mencerminkan jarak perambatan. Berdasarkan ini, kami telah mengira lengkung pekali amplitud bagi gelombang asas dan 3 harmonik pertama. Apabila gelombang bunyi merambat dalam medium, tekanan bunyi mereput secara eksponen dengan jarak, yang boleh dinyatakan dalam bentuk. Untuk tisu lembut am, pekali pengecilan TM adalah berkadar secara kasar dengan kekerapan. Untuk memudahkan pengiraan, artikel ini menyatakan pekali pengecilan setiap komponen harmonik sebagai mana α ialah sistem pengecilan bunyi bagi gelombang bunyi frekuensi asas dalam tisu biologi per unit jarak.

 

 

Ia harus termasuk penyerapan bunyi dan penyebaran tisu. Selepas mempertimbangkan dua faktor di atas (tidak lineariti dan pengecilan), ungkapan tekanan bunyi dalam medan bunyi fokus boleh dilanjutkan kepada bentuk berikut: ialah nombor gelombang setiap harmonik. Formula ini ialah apa yang kita panggil algoritma superposisi linear bagi kamiran Rayleigh.

 

Keputusan：

 

1 Pengaruh pengecilan sederhana pada julat fokus bunyi

Parameter unit transduser sfera cekung yang digunakan dalam kertas ini ialah: jejari kelengkungan R = 15 cm, jejari apertur a = 42 cm, frekuensi kerja f = 1.7 MHz. Dengan mengandaikan bahawa medium adalah tisu lembut umum, pekali pengecilannya α adalah dalam julat 01-30dB rebus (cm·Mz). Halaju bunyi, ketumpatan dan parameter lain medium diambil mengikut literatur yang berkaitan. Untuk mengkaji pekali pengecilan sebagai faktor pengaruh tunggal, hanya frekuensi tunggal, iaitu frekuensi asas, perlu dikira dan dianalisis untuk hukum perubahan domain fokus bunyi dengan nilai α yang berbeza. Atas sebab ini, dalam formula (3), satu siri pengiraan berangka telah dijalankan dengan mengambil M=1. Keputusan menunjukkan bahawa dengan peningkatan pengecilan, iaitu, apabila α = 0.3, 13 dan 23dB rebus (cm·Mhz), bentuk kawasan fokus akustik -6dB secara beransur-ansur berubah daripada elipsoid panjang kepada elipsoid pendek, dan paksi panjangnya1 dan paksi pendek

 

2

Mereka adalah 111, 104, dan 92 masing-masing. Kedudukan zon fokus (kedudukan pada paksi akustik), dua yang terakhir masing-masing 30mm dan 65mm di hadapan bekas di sepanjang paksi akustik transduser. Pada masa yang sama, kepala zon fokus (hujung dekat dengan transduser) lebih 'lemak' daripada ekornya (hujungnya jauh dari transduser).

 

2 Kesan bukan lineariti yang disebabkan oleh keamatan bunyi yang tinggi pada julat fokus bunyi adalah sama, tekanan bunyi sinaran permukaan dianggap sebagai faktor tunggal, dan nilainya masing-masing 44, 73, 4 MPa, dan α = 3dB rebus (cm·MHz). Memandangkan pengecilan medium meningkat dengan cepat dengan peningkatan frekuensi harmonik, bilangan harmonik tidak perlu terlalu banyak. Keputusan pengiraan menunjukkan bahawa: apabila tekanan bunyi sinaran permukaan meningkat, kedudukan dan bentuk zon fokus berubah tidak seperti apabila pekali pengecilan berubah Ia begitu besar, tetapi undang-undang perubahannya adalah serupa. Iaitu, kedudukan dua kawasan fokus yang terakhir digerakkan ke hadapan sebanyak 16mm dan 21mm masing-masing; nisbah paksi panjang dan pendek bagi kawasan fokus 6dB ialah 119, 116, dan 113 masing-masing, dan kepala kawasan fokus juga mempunyai kecenderungan untuk menjadi 'gemuk'.

 

3 Kesan gabungan pengecilan dan tidak linear pada julat fokus bunyi

Kedua-dua faktor di atas secara serentak dimasukkan ke dalam formula (3) untuk pengiraan. Rajah 3(a) dan Rajah 3(b) masing-masing menunjukkan bahawa α=3dB rebus (cm·MHz), P′ 0=44MPa dan α=2.3dB rebus (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Apabila mempertimbangkan pengecilan dan kesan tak linear pada masa yang sama, kontur garis tekanan bunyi iso dalam zon fokus ialah hasil pengiraan dalam rajah. Berbanding dengan kedua-duanya, kedudukan zon fokus telah bergerak ke hadapan sebanyak 8.4mm, dan nisbah paksi utama dan kecil zon fokus telah berubah daripada 11.9 kepada 8.5. Ia menunjukkan bahawa trend perubahan zon fokus yang disebabkan oleh pekali pengecilan dan tidak linear adalah sama, jadi kesan keseluruhan diperkukuh.

 

 

kesimpulannya

Hasil analisis dan pengiraan teori dalam kertas ini menunjukkan bahawa keamatan bunyi yang tinggi dan pengecilan sederhana mempunyai pengaruh yang penting terhadap bentuk dan kedudukan zon fokus bunyi; lebih besar pekali pengecilan medium, lebih tinggi keamatan bunyi (iaitu, lebih kuat ketaklinearan), dan fokus bunyi Semakin dekat medan dengan transduser; nisbah paksi panjang dan pendek medan fokus juga menjadi lebih kecil, iaitu bentuknya secara beransur-ansur berubah dari elipsoid panjang kepada ellipsoid pendek, dan kepala kawasan fokus bunyi menjadi 'lemak' daripada ekor. Fenomena, bentuknya cenderung kepada 'lobak merah'. Kesimpulan di atas menyediakan asas untuk menganalisis secara kuantitatif undang-undang perubahan kawasan fokus bunyi bagi Bidang seramik piezo HIFU , dan mengkaji lebih lanjut hubungan antara kawasan fokus bunyi dan kawasan kerosakan.