powszechna metoda HIFU do testowania pola dźwiękowego

Metoda radiacyjna jest dobrze ugruntowaną metodą pomiarową, która skupia się na pomiarze płaszczyzny piezoelektryczne ceramiczne płytki ścinane w cieczy. W 1987 roku Beissner wyprowadził wzór obliczeniowy siły promieniowania na całkowicie pochłonięty cel w skupionym polu ultradźwiękowym, zakładając, że akustyka geometryczna, niedyfrakcyjne ograniczenie wysokiej częstotliwości i kierunkowość pola dalekiego są funkcjami prostokątnymi, gdy odchylenie kąta ≤ 30 ° jest mniejsze niż 0,8%. W 1998 roku zastosował geometryczną metodę akustyczną do wyprowadzenia ogólnego wzoru na siłę promieniowania zogniskowanego ultradźwięku na badany obiekt, omówił siłę promieniowania na cel całkowitego odbicia i całkowitego absorpcji oraz przeprowadził eksperyment, który potwierdził, że odchylenie mocy akustycznej mierzonej ultradźwiękowym pomiarem mocy 1,6 MHz i metodą kalorymetryczną nie przekracza 3%. W 2005 roku Shaw z National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii wykorzystał całki Rayleigha i eksperymenty, aby zweryfikować ważność wzoru ogólnego. Wyniki były dość spójne. W 2003 roku zmierzył napięcie anodowego wzmacniacza mocy obwodu sterującego przetwornika HIFU metodą słupa wody opartą na promieniowaniu (woda mierząc ciśnienie promieniowania akustycznego lub gęstość energii akustycznej punktu pomiarowego poprzez pomiar wysokości słupa cieczy w cienkiej rurce).

Natężenie pola akustycznego przy napięciu od 200 V do 2600 V wskazuje, że metoda słupa wody może zwiększyć zakres pomiaru pola dźwiękowego do 2000 W/cm 2 , jednak gdy napięcie wzrośnie do pewnego poziomu (2600 V), moc akustyczna będzie zbyt duża i w wodzie wystąpi znaczna kawitacja. Grupa pęcherzyków zakłóca pole akustyczne, powodując, że mierzona moc akustyczna jest znacznie niestabilna i wykazuje tendencję do nasycenia. W latach 2004 i 2005 w Chinach przyjęto krajową normę dotyczącą „pomiaru mocy akustycznej skupionego dźwięku ultradźwiękowego o dużym natężeniu i charakterystyki pola dźwiękowego” oraz „systemu leczenia skupionymi ultradźwiękami o wysokiej intensywności (HIFU)”, które skupiają się na charakterystyce ultradźwiękowej i ultradźwiękach. Podstawową ideą i metodą pomiaru mocy jest znalezienie położenia ogniska ciśnienia akustycznego metodą hydrofonowego skanowania trójwymiarowego, zeskanowanie i pomiar skupionego pola dźwiękowego, obliczenie parametrów geometrycznych ogniska, a następnie Przetwornik piezoelektryczny z płytami ceramicznymi bezpośrednio mierzy ciśnienie akustyczne przy pełnej mocy w momencie ogniskowania. W przypadku standardu zalecane są hydrofony i metody radiacyjne.

2 wykrywanie hydrofonów

Hydrofon to przetwornik przetwarzający sygnał ciśnienia akustycznego pod wodą na sygnał elektryczny. Kiedy zmienia się ciśnienie (zakłócenie akustyczne) na materiale piezoelektrycznym, rozkład ładunku wewnątrz materiału piezoelektrycznego zmienia się proporcjonalnie i odbija się w postaci sygnału napięciowego, dzięki czemu może zostać wydobyty przez elektrodę na powierzchni piezoelektrycznego elementu ceramicznego. Ładunki te są wzmacniane przez wzmacniacz napięcia lub wzmacniacz ładunku, a przetwarzanie sygnału wyświetla obraz odzwierciedlający kształt fali dźwiękowej. W ten sposób pomiar ciśnienia akustycznego w polu ultradźwiękowym przebiega w bardzo prosty sposób. Tradycyjne materiały stosowane do ultradźwiękowej detekcji pola dźwiękowego to ceramika piezoelektryczna i PVDF (polifluorek winylidenu).

Ceramika piezoelektryczna ma wysoką twardość i czułość i może wytrzymać pewien zakres ciśnienia akustycznego w polu HIFU przy małej mocy, ale natężenie dźwięku Gdy jest zwiększone, ceramika piezoelektryczna łatwo ulega uszkodzeniu, liniowy zakres dynamiki jest mały, a impedancja akustyczna jest wysoka, więc hydrofon ma pewne zakłócenia w mierzonym polu dźwiękowym. Impedancja akustyczna PVDF jest zbliżona do impedancji akustycznej wody i ma dobre dopasowanie impedancji akustycznej do wody, miękką teksturę, łatwą obróbkę, stabilne właściwości chemiczne, szerokie pasmo przenoszenia i doskonałą liniowość. Zakres dynamiki jest większy niż w przypadku piezoelektrycznych hydrofonów ceramicznych. Dlatego obecnie do pomiarów powszechnie stosuje się PVDF. Może poprawić nierówną charakterystykę częstotliwościową wytwarzaną przez ceramikę piezoelektryczną i zmniejszyć zakłócenia mierzonego pola dźwiękowego, o ile folia jest wystarczająco cienka. PVDF jest dostępny zarówno w postaci folii, jak i igieł. Średnica rodzaju folii jest większa niż 5 cm, natomiast średnica igły jest mniejsza niż 1 mm, co łatwo ulega uszkodzeniu w polu dźwiękowym HIFU.

Rozmiar obszaru ogniskowego HIFU wynosi około 1,1 mm × 2,1 mm × 3,2 mm. Dlatego wadą PVDF jest niska rozdzielczość przestrzenna i efekt krawędziowy, a objętość nie może być bardzo mała. Ograniczenie temperaturowe, depolaryzacja następuje, gdy temperatura osiąga 60°C, stopień ponownego wykorzystania jest niski, a pomiar hydrofonów wymaga mechanicznej metody skanowania punkt po punkcie, nawet jeśli skanuje się płaszczyznę 10 × 10 cm, najszybciej. Zajmuje to również kilka godzin, więc użycie kilku prostych linii do opisania rozkładu pola dźwiękowego staje się nieuniknione. W 2002 roku jako hydrofony zastosował piezoelektryczne ceramiczne puste kule o wysokiej częstotliwości, które mają wyjątkowe zalety pod względem geometrii, rozmiaru i czułości. Średnica kuli wynosi od 0,7 do 1 mm, częstotliwość rezonansowa wynosi od 1,8 do 2,7 MHz, czułość jest dwukrotnie większa niż w przypadku hydrofonu i ma dobrą stabilność płyta piezoceramiczna przetwornika ultradźwiękowego , a ciśnienie jest hydrofonem igłowym. urządzenie uważane jest za idealny czujnik do pomiaru pól dźwiękowych o dużym natężeniu. 

W 2004 roku zgłoszono nowy typ membranowego podgrzewacza wody do pomiaru pola dźwiękowego HIFU, wskazując, że czujnik może mierzyć moc akustyczną natychmiast podczas leczenia HIFU, zapewniając w ten sposób dokładne dostarczanie energii podczas zabiegu oraz pomiar siły promieniowania i wody. W porównaniu z pomiarem odbiornika elementy są trwałe i mają niewielki wpływ na temperaturę. W 2006 roku Zanelli i Howard zaprojektowali hydrofon, który skutecznie zapobiega uszkodzeniom kawitacyjnym. Ceramika piezoelektryczna jest umieszczona w metalowej osłonie, aby zapewnić gładką powierzchnię zewnętrzną, która minimalizuje możliwość powstania jądra kawitacyjnego na powierzchni. Mały, w odgazowanej wodzie dejonizowanej, pomiar pola akustycznego przetwornika o częstotliwości 1,50 MHz, średnicy 100 mm i ogniskowej 150 mm dał dobre wyniki. Jednakże liniowy zakres dynamiki ceramiki piezoelektrycznej jest niewystarczający, co wpływa na jego górną granicę do stosowania w pomiarach HIFU.