Plasseringen og formen til lydfokusområdet til den konkave sfæriske HIFU-svingeren

Mål Å studere endringene i formen og geometriske posisjonen til konkavens akustiske brennvidde sfærisk ultralydsvinger når lydintensiteten er høy og mediet har stor demping. Metoder Fra et perspektiv av fysisk akustikk analyseres effektene av ikke-linearitet og mediedempning forårsaket av høy lydintensitet på lydfokusområdet, og den lineære superposisjonsalgoritmen til Rayleigh-integralet brukes til å utføre numeriske simuleringsberegninger. Både teoretisk analyse og numerisk beregning viser at med økningen av lydintensitet og middels demping, har den geometriske posisjonen til den akustiske fokalsonen en fremgang på millimeternivå langs den akustiske aksen i retning av svingeren; samtidig den akustiske fokalsonen. Formen endret seg gradvis fra en symmetrisk lang ellipsoide til en kort ellipsoide med 'fett hode og tynn hale'.

 

Høy lydintensitet og middels demping har en viktig innflytelse på plasseringen og formen til lydfokusområdet til den konkave sfæriske transduseren. Full vurdering bør tas til nøyaktig plassering og dosekontroll av HIFU-utstyr, formuleringen av inspeksjonsstandarder og til og med den kliniske anvendelsen.

 

mitt land har gjort bemerkelsesverdige gjennombrudd i utviklingen og klinisk anvendelse av høy-intensitetsfokusert ultralyd (HIFU) utstyr). Men for å virkelig oppnå nøyaktig posisjonering og behandlingsdosekontroll på utstyret, slik at klinisk behandling kan oppnå den ideelle effekten av å effektivt drepe lesjonen uten å skade det omkringliggende normale vevet, er det fortsatt mange teoretiske og tekniske problemer som må studeres og løses i dybden. Innenlandske og utenlandske eksperimentelle studier på dannelsen av skade av HIFU i biologisk vev har vist at med økningen av lydintensiteten, beveger posisjonen til fokalsonen seg fremover og endres gradvis fra en lang ellipsoide til en 'rumpetrollform' eller en 'kjegleform'. Selv om utenlandsk litteratur de siste årene har gitt noen kvalitative forklaringer på fenomenet ovenfor ved numerisk å løse den ikke-lineære akustiske bølgeutbredelsesligningen (KZK-ligningen), men beregningsprosedyren er komplisert og den fysiske sammenhengen i beregningsprosessen er uklar. Av denne grunn tar denne artikkelen den konkave sfæriske fokuseringstransduseren som et eksempel, og diskuterer problemet ved å studere påvirkningen av middels demping og de ikke-lineære forplantningsegenskapene under høy lydintensitet på lydens brennområde.

 

I vårt tidligere arbeid, basert på Kirchhoff-diffraksjonsintegralet, har vi utledet uttrykket for lydtrykket på et hvilket som helst punkt i enkeltfrekvenslydfeltet under betingelsen av et lineært lydfelt med et konkavt lydfelt. sfærisk fokuseringstransduser med jevn stråling på overflaten (også kalt For Rayleigh-punkter).

 

Fra analysen av ikke-lineær akustikkteori, når lydtrykket til den enkeltfrekvente sinusbølgen som utstråles fra overflaten av transduseren inn i mediet er stort nok, kalles det en 'endelig amplitudebølge', som forplanter seg en viss avstand i mediet (kalt den diskontinuerlige avstanden). ), vil bølgeformen bli forvrengt til en sagtannbølge, som også kan betraktes som en sjokkbølge. I tillegg til grunnfrekvensen til den opprinnelige emisjonen, inkluderer frekvensspekteret til denne bølgen også en serie høyere harmoniske. De genereres gradvis ved å kontinuerlig absorbere energi fra grunnbølgen under forplantningen av lydbølger, det vil si vevsharmoniene i ultralydmedisin. Amplitudekoeffisienten kan brukes til å beskrive forplantningen av høyordens harmoniske med forplantningsavstanden og forholdet mellom energiendringer under forplantningen.

 

Sagtannbølgen danner en avstand, så σ er en dimensjonsløs størrelse som reflekterer forplantningsavstanden. Basert på dette har vi beregnet amplitudekoeffisientkurven til grunnbølgen og de 3 første harmoniske. Når lydbølgen forplanter seg i mediet, avtar lydtrykket eksponentielt med avstanden, noe som kan uttrykkes i en form. For generelt bløtvev er dempningskoeffisienten TM omtrent proporsjonal med frekvensen. For å forenkle beregningen uttrykker denne artikkelen dempningskoeffisienten for hver harmoniske komponent som der α er lyddempningssystemet til grunnfrekvenslydbølgen i biologiske vev per enhetsavstand.

 

 

Det bør inkludere lydabsorpsjon og spredning av vevet. Etter å ha vurdert de to ovennevnte faktorene (ikke-linearitet og demping), kan uttrykket av lydtrykket i det fokuserte lydfeltet utvides til følgende form: er bølgetallet til hver harmonisk. Denne formelen er det vi kaller den lineære superposisjonsalgoritmen til Rayleigh-integralet.

 

Resultat:

 

1 Påvirkningen av middels demping på lydens brennområde

Parametrene til enhetens konkave sfæriske transduser som brukes i denne artikkelen er: krumningsradius R = 15 cm, aperturradius a = 42 cm, arbeidsfrekvens f = 1,7 MHz. Forutsatt at mediet er generelt bløtvev, er dets dempningskoeffisient α i området 01-30dB lapskaus (cm·Mz). Lydhastigheten, tettheten og andre parametere til mediet er tatt i henhold til relevant litteratur. For å studere dempningskoeffisienten som en enkelt påvirkningsfaktor, trenger bare en enkelt frekvens, nemlig grunnfrekvensen, å beregnes og analyseres for endringsloven til lydfokusdomenet med forskjellige α-verdier. Av denne grunn ble det i formelen (3) utført en rekke numeriske beregninger ved å ta M=1. Resultatene viser at med økningen av demping, det vil si når α = 0,3, 13 og 23dB stew (cm·Mhz), endres formen på det -6dB akustiske fokalområdet gradvis fra en lang ellipsoide til en kort ellipsoide, og dens lange akse1 og korte akse

 

2

De er henholdsvis 111, 104 og 92. Plasseringen av fokalsonen (posisjon på den akustiske aksen), de to sistnevnte er henholdsvis 30 mm og 65 mm foran førstnevnte langs den akustiske aksen til transduseren. Samtidig er hodet på fokalsonen (enden nær transduseren) mer 'fett' enn halen (enden langt fra svingeren).

 

2 Effekten av ikke-linearitet forårsaket av høy lydintensitet på lydfokusområdet er den samme, overflatestrålingslydtrykket betraktes som en enkeltfaktor, og verdiene er henholdsvis 44, 73, 4 MPa og α = 3dB stew (cm·MHz). Tatt i betraktning at dempningen av mediet øker raskt med økningen av den harmoniske frekvensen, trenger ikke antallet harmoniske å være for mange. Beregningsresultatene viser at: når overflatestrålingslydtrykket øker, endres posisjonen og formen til fokalsonen i motsetning til når dempningskoeffisienten endres. Den er så stor, men dens skiftende lov er lik. Det vil si at posisjonene til de to sistnevnte fokusområdene flyttes frem med henholdsvis 16 mm og 21 mm; forholdet mellom den lange og korte aksen til 6dB-fokusområdet er henholdsvis 119, 116 og 113, og hodet til fokusområdet har også en tendens til å bli «feit».

 

3 Den kombinerte effekten av demping og ikke-linearitet på lydens brennområde

De to ovennevnte faktorene er samtidig inkorporert i formel (3) for beregning. Figur 3(a) og figur 3(b) viser henholdsvis at α=3dB gryterett (cm·MHz), P′ 0=44MPa og α=2,3dB lapskaus (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Når man vurderer demping og ikke-lineære effekter samtidig, er konturen av iso-lydtrykklinjen i fokalsonen beregningsresultatet i figuren. Sammenlignet med de to har fokalsoneposisjonen flyttet seg 8,4 mm fremover, og forholdet mellom fokalsonens store og små akser har endret seg fra 11,9 til 8,5. Den viser at endringstrenden til fokalsonen forårsaket av dempningskoeffisienten og ikke-lineariteten er den samme, så den totale effekten forsterkes.

 

 

avslutningsvis

De teoretiske analyse- og beregningsresultatene i denne oppgaven viser at høy lydintensitet og middels demping har en viktig innflytelse på formen og plasseringen av lydfokussonen; jo større dempningskoeffisienten til mediet, jo høyere er lydintensiteten (det vil si, jo sterkere er ikke-lineariteten), og lydfokuset Jo nærmere feltet er transduseren; forholdet mellom de lange og korte aksene til fokalfeltet blir også mindre, det vil si at formen endres gradvis fra en lang ellipsoide til en kort ellipsoide, og hodet til lydfokusområdet blir 'fett' enn halen. Fenomen, formen har en tendens til å være 'gulrot'. Konklusjonene ovenfor gir grunnlag for å kvantitativt analysere endringsloven til lydfokusområdet til HIFU piezo keramikkfelt , og videre studere forholdet mellom lydfokusområdet og skadeområdet.