Położenie i kształt zakresu ogniskowego dźwięku wklęsłego sferycznego przetwornika HIFU

Cel Badanie zmian kształtu i położenia geometrycznego zakresu ogniskowych akustycznych wklęsłości sferyczny przetwornik ultradźwiękowy, gdy natężenie dźwięku jest duże, a medium ma duże tłumienie. Metody Z punktu widzenia akustyki fizycznej analizuje się wpływ nieliniowości i tłumienia mediów spowodowanego dużym natężeniem dźwięku na zakres ogniskowych dźwięku, a do numerycznych obliczeń symulacyjnych wykorzystuje się algorytm superpozycji liniowej całki Rayleigha. Zarówno analiza teoretyczna, jak i obliczenia numeryczne pokazują, że wraz ze wzrostem natężenia dźwięku i tłumienia średniego położenie geometryczne strefy ogniskowej akustycznej przesuwa się o milimetr wzdłuż osi akustycznej w kierunku przetwornika; jednocześnie akustyczna strefa ogniskowa. Kształt stopniowo zmieniał się z symetrycznej długiej elipsoidy na krótką elipsoidę z „grubą głową i cienkim ogonem”.

 

Duże natężenie dźwięku i średnie tłumienie mają istotny wpływ na położenie i kształt obszaru ogniskowego dźwięku wklęsłego przetwornika sferycznego. Należy w pełni uwzględnić precyzyjne umiejscowienie i kontrolę dawki sprzętu HIFU, sformułowanie standardów kontroli, a nawet zastosowanie kliniczne.

 

mój kraj dokonał niezwykłego przełomu w rozwoju i zastosowaniu klinicznym skupionych ultradźwięków o wysokiej intensywności (sprzęt do skupionych ultradźwięków o dużej intensywności (HIFU)). Jednakże, aby naprawdę osiągnąć dokładne umiejscowienie i kontrolę dawki leczniczej na sprzęcie, tak aby leczenie kliniczne mogło osiągnąć idealny efekt skutecznego zabicia zmiany chorobowej bez uszkadzania otaczających ją prawidłowych tkanek, nadal istnieje wiele zagadnień teoretycznych i technicznych, które wymagają dogłębnego zbadania i rozwiązania. Krajowe i zagraniczne badania eksperymentalne dotyczące powstawania uszkodzeń HIFU w tkankach biologicznych wykazały, że wraz ze wzrostem natężenia dźwięku położenie strefy ogniskowej przesuwa się do przodu i stopniowo zmienia się z długiej elipsoidy na „kształt kijanki” lub „kształt stożka”. Choć w ostatnich latach w literaturze zagranicznej poczyniono pewne jakościowe wyjaśnienia powyższego zjawiska poprzez numeryczne rozwiązanie nieliniowego równania propagacji fali akustycznej (równanie KZK), to jednak procedura obliczeniowa jest skomplikowana, a fizyczne zależności w procesie obliczeniowym niejasne. Z tego powodu w artykule za przykład przyjęto wklęsły przetwornik z ogniskowaniem sferycznym i omówiono problem badając wpływ tłumienia ośrodka i nieliniowych charakterystyk propagacji przy dużym natężeniu dźwięku na zakres ogniskowych dźwięku.

 

W naszej poprzedniej pracy, w oparciu o całkę dyfrakcyjną Kirchhoffa, wyprowadziliśmy wyrażenie ciśnienia akustycznego w dowolnym punkcie pola akustycznego o pojedynczej częstotliwości pod warunkiem liniowego pola dźwiękowego z wklęsłą sferyczny przetwornik ogniskujący z równomiernym promieniowaniem na powierzchni (zwany także punktami Rayleigha).

 

Z analizy teorii akustyki nieliniowej wynika, że ​​gdy ciśnienie akustyczne fali sinusoidalnej o pojedynczej częstotliwości wypromieniowanej z powierzchni przetwornika do ośrodka jest wystarczająco duże, nazywa się to „falą o skończonej amplitudzie”, która rozchodzi się w ośrodku na pewną odległość (zwaną odległością nieciągłą). ), przebieg zostanie zniekształcony w falę piłokształtną, którą można również uznać za falę uderzeniową. Oprócz częstotliwości podstawowej pierwotnej emisji widmo częstotliwości tej fali obejmuje także szereg wyższych harmonicznych. Powstają stopniowo poprzez ciągłe pochłanianie energii z fali podstawowej podczas propagacji fal dźwiękowych, czyli harmonii tkankowej w medycynie ultradźwiękowej. Współczynnik amplitudy można wykorzystać do opisu propagacji harmonicznych wyższego rzędu z odległością propagacji i zależnością zmian energii podczas propagacji.

 

Fala piłokształtna tworzy odległość, więc σ jest bezwymiarową wielkością odzwierciedlającą odległość propagacji. Na tej podstawie obliczyliśmy krzywą współczynnika amplitudy fali podstawowej i pierwszych 3 harmonicznych. Kiedy fala dźwiękowa rozchodzi się w ośrodku, ciśnienie akustyczne maleje wykładniczo wraz z odległością, co można wyrazić w postaci. W przypadku ogólnych tkanek miękkich współczynnik tłumienia TM jest w przybliżeniu proporcjonalny do częstotliwości. Aby uprościć obliczenia, w artykule wyrażono współczynnik tłumienia każdej składowej harmonicznej w następujący sposób: gdzie α jest systemem tłumienia fali dźwiękowej o częstotliwości podstawowej w tkankach biologicznych na jednostkę odległości.

 

 

Należy uwzględnić pochłanianie i rozpraszanie dźwięku przez tkankę. Po uwzględnieniu powyższych dwóch czynników (nieliniowości i tłumienia) wyrażenie ciśnienia akustycznego w skupionym polu dźwiękowym można rozszerzyć do następującej postaci: jest liczbą falową każdej harmonicznej. Wzór ten nazywamy algorytmem superpozycji liniowej całki Rayleigha.

 

Wynik:

 

1 Wpływ tłumienia średniego na zakres ogniskowych dźwięku

Parametry jednostkowego przetwornika sferycznego wklęsłego zastosowanego w tej pracy to: promień krzywizny R = 15 cm, promień apertury a = 42 cm, częstotliwość robocza f = 1,7 MHz. Zakładając, że ośrodkiem jest tkanka miękka, jego współczynnik tłumienia α mieści się w przedziale 01-30 dB (cm·Mz). Prędkość dźwięku, gęstość i inne parametry ośrodka przyjmuje się zgodnie z odpowiednią literaturą. Aby zbadać współczynnik tłumienia jako pojedynczy czynnik wpływający, należy obliczyć i przeanalizować tylko jedną częstotliwość, mianowicie częstotliwość podstawową, pod kątem prawa zmian domeny skupienia dźwięku o różnych wartościach α. Z tego powodu we wzorze (3) przeprowadzono szereg obliczeń numerycznych, przyjmując M=1. Wyniki pokazują, że wraz ze wzrostem tłumienia, czyli gdy α = 0,3, 13 i 23 dB (cm·Mhz), kształt obszaru ogniska akustycznego -6 dB stopniowo zmienia się z długiej elipsoidy na krótką elipsoidę, a jego długa oś1 i krótka oś

 

2

Mają odpowiednio 111, 104 i 92 lata. Położenie strefy ogniskowej (położenie na osi akustycznej), dwie ostatnie znajdują się odpowiednio 30 mm i 65 mm przed pierwszą wzdłuż osi akustycznej przetwornika. Jednocześnie głowa strefy ogniskowej (koniec blisko przetwornika) jest bardziej „gruba” niż jej ogon (koniec oddalony od przetwornika).

 

2 Wpływ nieliniowości spowodowanej dużym natężeniem dźwięku na zakres skupienia dźwięku jest taki sam, ciśnienie akustyczne promieniowania powierzchniowego rozpatrywane jest jako pojedynczy czynnik, a jego wartości wynoszą odpowiednio 44, 73, 4 MPa i α = 3 dB gulasz (cm·MHz). Biorąc pod uwagę, że tłumienie ośrodka szybko rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości harmonicznej, liczba harmonicznych nie musi być zbyt duża. Wyniki obliczeń pokazują, że: wraz ze wzrostem ciśnienia akustycznego promieniowania powierzchniowego zmienia się położenie i kształt strefy ogniskowej, inaczej niż przy zmianie współczynnika tłumienia. Jest duży, ale prawo jego zmian jest podobne. Oznacza to, że położenie dwóch ostatnich obszarów ogniskowych zostało przesunięte do przodu odpowiednio o 16 mm i 21 mm; stosunek długiej i krótkiej osi obszaru ogniskowego 6 dB wynosi odpowiednio 119, 116 i 113, a głowa obszaru ogniskowego również ma tendencję do „grubienia”.

 

3 Łączny wpływ tłumienia i nieliniowości na zakres ogniskowych dźwięku

Powyższe dwa współczynniki uwzględnia się jednocześnie we wzorze (3) do obliczeń. Rysunek 3(a) i rysunek 3(b) pokazują odpowiednio, że α=3dB gulasz (cm·MHz), P′ 0=44MPa i α=2,3dB gulasz (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Uwzględniając jednocześnie tłumienie i efekty nieliniowe, wynikiem obliczeń na rysunku jest kontur linii izociśnienia akustycznego w strefie ogniskowej. W porównaniu z nimi położenie strefy ogniskowej przesunęło się do przodu o 8,4 mm, a stosunek głównych osi strefy ogniskowej zmienił się z 11,9 na 8,5. Pokazuje, że tendencja zmian strefy ogniskowej spowodowana współczynnikiem tłumienia i nieliniowością jest taka sama, więc ogólny efekt jest wzmocniony.

 

 

podsumowując

Z analizy teoretycznej i wyników obliczeń przedstawionych w niniejszej pracy wynika, że ​​duże natężenie dźwięku i średnie tłumienie mają istotny wpływ na kształt i położenie strefy ogniskowej dźwięku; im większy współczynnik tłumienia ośrodka, tym większe natężenie dźwięku (czyli większa nieliniowość) i skupienie dźwięku. Im bliżej przetwornika znajduje się pole; stosunek długiej i krótkiej osi pola ogniskowego również staje się mniejszy, to znaczy jego kształt stopniowo zmienia się z długiej elipsoidy na krótką elipsoidę, a głowa obszaru ogniskowania dźwięku staje się „gruba” niż ogon. Fenomen, kształt przypomina „marchewkę”. Powyższe wnioski stanowią podstawę do ilościowej analizy prawa zmian obszaru skupienia dźwiękowego Pole ceramiki piezoelektrycznej HIFU i dalsze badania związku między obszarem skupienia dźwięku a obszarem uszkodzenia.