De positie en vorm van het geluidsbrandpuntsbereik van de concave sferische HIFU-transducer

Doel Het bestuderen van de veranderingen in de vorm en de geometrische positie van het akoestische brandpuntsbereik van de concave bolvormige ultrasone transducer wanneer de geluidsintensiteit hoog is en het medium een ​​grote demping heeft. Methoden Vanuit het perspectief van de fysieke akoestiek worden de effecten van niet-lineariteit en mediaverzwakking veroorzaakt door hoge geluidsintensiteit op het geluidsbrandpuntsbereik geanalyseerd, en wordt het lineaire superpositie-algoritme van de Rayleigh-integraal gebruikt om numerieke simulatieberekeningen uit te voeren. Zowel theoretische analyse als numerieke berekening laten zien dat met de toename van de geluidsintensiteit en gemiddelde verzwakking de geometrische positie van de akoestische focuszone een millimeter-niveau vooruitgaat langs de akoestische as in de richting van de transducer; tegelijkertijd veranderde de vorm van de akoestische focuszone geleidelijk van een symmetrische lange ellipsoïde naar een korte ellipsoïde met een 'dikke kop en dunne staart'.

 

Hoge geluidsintensiteit en gemiddelde verzwakking hebben een belangrijke invloed op de positie en vorm van het geluidsbrandpuntsgebied van de concave bolvormige transducer. Er moet volledige aandacht worden besteed aan de precieze positionering en dosiscontrole van HIFU-apparatuur, de formulering van inspectienormen en zelfs de klinische toepassing.

 

mijn land heeft opmerkelijke doorbraken geboekt in de ontwikkeling en klinische toepassing van gefocusseerde echografie met hoge intensiteit (HIFU-apparatuur). Om echter echt een nauwkeurige positionering en controle van de behandelingsdosis op de apparatuur te bereiken, zodat de klinische behandeling het ideale effect kan bereiken van het effectief doden van de laesie zonder de omliggende normale weefsels te beschadigen, zijn er nog veel theoretische en technische problemen die diepgaand moeten worden bestudeerd en opgelost. Binnenlandse en buitenlandse experimentele onderzoeken naar de vorming van schade aan HIFU in biologische weefsels hebben aangetoond dat met de toename van de geluidsintensiteit de positie van de focuszone naar voren beweegt en geleidelijk verandert van een lange ellipsoïde naar een 'kikkervisjevorm' of een 'kegelvorm'. Hoewel de buitenlandse literatuur de afgelopen jaren enkele kwalitatieve verklaringen heeft gegeven voor het bovengenoemde fenomeen door de niet-lineaire akoestische golfvoortplantingsvergelijking (KZK-vergelijking) numeriek op te lossen, is de berekeningsprocedure ingewikkeld en is de fysieke relatie in het berekeningsproces onduidelijk. Om deze reden neemt dit artikel de concave sferische focusseringstransducer als voorbeeld, en bespreekt het probleem door de invloed van de mediumverzwakking en de niet-lineaire voortplantingskarakteristieken onder hoge geluidsintensiteit op het brandpuntsbereik te bestuderen.

 

In ons eerdere werk, gebaseerd op de Kirchhoff-diffractie-integraal, hebben we de uitdrukking van de geluidsdruk op elk punt in het enkelfrequente geluidsveld afgeleid onder de voorwaarde van een lineair geluidsveld met een concave sferische focusseringstransducer met uniforme straling op het oppervlak (ook wel For Rayleigh-punten genoemd).

 

Uit de analyse van de niet-lineaire akoestiektheorie blijkt dat wanneer de geluidsdruk van de sinusgolf met één frequentie die van het oppervlak van de transducer naar het medium wordt uitgestraald groot genoeg is, dit een 'eindige amplitudegolf' wordt genoemd, die zich over een bepaalde afstand voortplant in het medium (de discontinue afstand genoemd). ), zal de golfvorm worden vervormd tot een zaagtandgolf, die ook als schokgolf kan worden beschouwd. Naast de fundamentele frequentie van de oorspronkelijke emissie omvat het frequentiespectrum van deze golf ook een reeks hogere harmonischen. Ze worden geleidelijk gegenereerd door het continu absorberen van energie uit de fundamentele golf tijdens de voortplanting van geluidsgolven, dat wil zeggen de weefselharmonischen in de ultrasone geneeskunde. De amplitudecoëfficiënt kan worden gebruikt om de voortplanting van harmonischen van hoge orde te beschrijven met de voortplantingsafstand en de relatie tussen energieveranderingen tijdens voortplanting.

 

De zaagtandgolf vormt een afstand, dus σ is een dimensieloze grootheid die de voortplantingsafstand weerspiegelt. Op basis hiervan hebben we de amplitudecoëfficiëntcurve van de fundamentele golf en de eerste 3 harmonischen berekend. Wanneer de geluidsgolf zich in het medium voortplant, neemt de geluidsdruk exponentieel af met de afstand, wat in een vorm kan worden uitgedrukt. Voor algemene zachte weefsels is de verzwakkingscoëfficiënt TM ruwweg evenredig met de frequentie. Om de berekening te vereenvoudigen, drukt dit artikel de verzwakkingscoëfficiënt van elke harmonische component uit, waarbij α het geluidsverzwakkingssysteem is van de fundamentele frequentie-geluidsgolf in biologische weefsels per afstandseenheid.

 

 

Het moet de geluidsabsorptie en verstrooiing van het weefsel omvatten. Na overweging van de bovengenoemde twee factoren (niet-lineariteit en verzwakking), kan de uitdrukking van de geluidsdruk in het gefocusseerde geluidsveld worden uitgebreid naar de volgende vorm: is het golfnummer van elke harmonische. Deze formule noemen we het lineaire superpositie-algoritme van de Rayleigh-integraal.

 

Resultaat:

 

1 De invloed van gemiddelde demping op het brandpuntsbereik van geluid

De parameters van de concave sferische transducer die in dit artikel wordt gebruikt, zijn: kromtestraal R = 15 cm, openingsstraal a = 42 cm, werkfrequentie f = 1,7 MHz. Ervan uitgaande dat het medium algemeen zacht weefsel is, ligt de verzwakkingscoëfficiënt α in het bereik van 01-30 dB stoofpot (cm·Mz). De geluidssnelheid, dichtheid en andere parameters van het medium worden bepaald volgens de relevante literatuur. Om de verzwakkingscoëfficiënt als een enkele beïnvloedende factor te bestuderen, hoeft slechts één enkele frequentie, namelijk de fundamentele frequentie, berekend en geanalyseerd te worden voor de veranderingswet van het geluidsfocusdomein met verschillende α-waarden. Om deze reden werd in formule (3) een reeks numerieke berekeningen uitgevoerd door M=1 te nemen. De resultaten laten zien dat met de toename van de verzwakking, dat wil zeggen wanneer α = 0,3, 13 en 23 dB stoof (cm·Mhz), de vorm van het akoestische brandpuntsgebied van -6 dB geleidelijk verandert van een lange ellipsoïde naar een korte ellipsoïde, en de lange as1 en de korte as ervan

 

2

Het zijn respectievelijk 111, 104 en 92. De positie van de focuszone (positie op de akoestische as), de laatste twee liggen respectievelijk 30 mm en 65 mm voor op de eerste langs de akoestische as van de transducer. Tegelijkertijd is de kop van de focuszone (het uiteinde dichtbij de transducer) 'dikter' dan de staart (het uiteinde ver van de transducer).

 

2 Het effect van niet-lineariteit veroorzaakt door een hoge geluidsintensiteit op het focusbereik van het geluid is hetzelfde; de ​​geluidsdruk van de oppervlaktestraling wordt als één factor beschouwd en de waarden ervan zijn respectievelijk 44, 73, 4 MPa en α = 3dB stoofpot (cm·MHz). Gezien het feit dat de verzwakking van het medium snel toeneemt met de toename van de harmonische frequentie, hoeft het aantal harmonischen niet te groot te zijn. De berekeningsresultaten laten zien dat: naarmate de geluidsdruk aan het oppervlak toeneemt, de positie en vorm van de brandpuntszone veranderen, in tegenstelling tot wanneer de verzwakkingscoëfficiënt verandert. Het is zo groot, maar de veranderende wet is vergelijkbaar. Dat wil zeggen dat de posities van de laatste twee brandpuntsgebieden respectievelijk 16 mm en 21 mm naar voren worden verplaatst; de verhouding tussen de lange en korte as van het brandpuntsgebied van 6 dB is respectievelijk 119, 116 en 113, en de kop van het brandpuntsgebied heeft ook de neiging om 'dik' te worden.

 

3 Het gecombineerde effect van verzwakking en niet-lineariteit op het brandpuntsbereik van geluid

De bovengenoemde twee factoren worden ter berekening gelijktijdig in formule (3) opgenomen. Figuur 3(a) en figuur 3(b) laten respectievelijk zien dat α=3dB stoofpot (cm·MHz), P′ 0=44MPa en α=2,3dB stoofpot (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Wanneer tegelijkertijd verzwakking en niet-lineaire effecten in aanmerking worden genomen, is de contour van de iso-geluidsdruklijn in de focuszone het berekeningsresultaat in de figuur. Vergeleken met de twee is de positie van de focuszone 8,4 mm naar voren verschoven en is de verhouding tussen de grote en secundaire assen van de focuszone veranderd van 11,9 naar 8,5. Het laat zien dat de veranderingstrend van de focuszone, veroorzaakt door de verzwakkingscoëfficiënt en niet-lineariteit, hetzelfde is, waardoor het algehele effect wordt versterkt.

 

 

tot slot

De theoretische analyse- en berekeningsresultaten in dit artikel laten zien dat hoge geluidsintensiteit en gemiddelde verzwakking een belangrijke invloed hebben op de vorm en positie van de geluidsfocale zone; hoe groter de verzwakkingscoëfficiënt van het medium, hoe hoger de geluidsintensiteit (dat wil zeggen, hoe sterker de niet-lineariteit) en de geluidsfocus. Hoe dichter het veld bij de transducer is; de verhouding tussen de lange en korte assen van het brandpuntsveld wordt ook kleiner, dat wil zeggen de vorm verandert geleidelijk van een lange ellipsoïde naar een korte ellipsoïde, en de kop van het geluidsfocusgebied wordt 'dik' dan de staart. Fenomeen, de vorm neigt naar 'wortel'. De bovenstaande conclusies bieden een basis voor het kwantitatief analyseren van de veranderingswet van het gezonde focusgebied van de HIFU piëzo-keramiekveld , en de relatie tussen het geluidsfocusgebied en het schadegebied verder bestuderen.