Poziția și forma domeniului focal de sunet al traductorului HIFU sferic concav

Obiectiv Studierea modificărilor de formă și poziție geometrică a domeniului focal acustic al concavului traductor ultrasonic sferic atunci când intensitatea sunetului este mare și mediul are o atenuare mare. Metode Din perspectiva acusticii fizice, sunt analizate efectele neliniarității și atenuării mediilor cauzate de intensitatea ridicată a sunetului asupra domeniului focal al sunetului, iar algoritmul de suprapunere liniară al integralei Rayleigh este utilizat pentru a efectua calcule de simulare numerică. Atât analiza teoretică, cât și calculul numeric arată că odată cu creșterea intensității sunetului și a atenuării medii, poziția geometrică a zonei focale acustice are un avans milimetric de-a lungul axei acustice în direcția traductorului; în același timp, zona focală acustică Forma s-a schimbat treptat de la un elipsoid lung simetric la un elipsoid scurt cu „cap gras și coadă subțire”.

 

Intensitatea ridicată a sunetului și atenuarea medie au o influență importantă asupra poziției și formei regiunii focale a sunetului a traductorului sferic concav. Ar trebui să se acorde o atenție completă poziționării precise și controlului dozei echipamentului HIFU, formulării standardelor de inspecție și chiar aplicării clinice.

 

țara mea a făcut progrese remarcabile în dezvoltarea și aplicarea clinică a ultrasunetelor focalizate de înaltă intensitate (echipamente cu ultrasunete focalizate de mare intensitate (HIFU)). Cu toate acestea, pentru a obține cu adevărat o poziționare precisă și un control al dozei de tratament pe echipament, astfel încât tratamentul clinic să poată obține efectul ideal de ucidere eficientă a leziunii fără a deteriora țesuturile normale din jur, există încă multe probleme teoretice și tehnice care trebuie studiate și rezolvate în profunzime. Studiile experimentale interne și străine privind formarea deteriorării HIFU în țesuturile biologice au arătat că odată cu creșterea intensității sunetului, poziția zonei focale se deplasează înainte și se schimbă treptat de la un elipsoid lung la o „forma de mormoloc” sau o „forma de con”. Deși în ultimii ani, literatura străină a dat câteva explicații calitative pentru fenomenul de mai sus prin rezolvarea numerică a ecuației de propagare a undelor acustice neliniare (ecuația KZK), dar procedura de calcul este complicată și relația fizică în procesul de calcul este neclară. Din acest motiv, această lucrare ia ca exemplu traductorul de focalizare sferică concav și discută problema prin studierea influenței atenuării medii și a caracteristicilor de propagare neliniară la intensitate ridicată a sunetului asupra domeniului focal al sunetului.

 

În lucrarea noastră anterioară, bazată pe integrala de difracție Kirchhoff, am derivat expresia presiunii sonore în orice punct al câmpului sonor cu o singură frecvență în condiția unui câmp sonor liniar cu un concav. traductor de focalizare sferică cu radiație uniformă pe suprafață (numit și Pentru punctele Rayleigh).

 

Din analiza teoriei acusticii neliniare, atunci când presiunea sonoră a undei sinusoidale cu o singură frecvență radiată de la suprafața traductorului în mediu este suficient de mare, se numește „undă de amplitudine finită” care se propagă pe o anumită distanță în mediu (numită distanță discontinuă). ), forma de undă va fi distorsionată într-o undă din dinte de ferăstrău, care poate fi privită și ca o undă de șoc. Pe lângă frecvența fundamentală a emisiei originale, spectrul de frecvență al acestei unde include și o serie de armonici superioare. Ele sunt generate treptat prin absorbția continuă a energiei din unda fundamentală în timpul propagării undelor sonore, adică a armonicilor tisulare în medicina cu ultrasunete. Coeficientul de amplitudine poate fi utilizat pentru a descrie propagarea armonicilor de ordin înalt cu distanța de propagare și relația dintre schimbările de energie în timpul propagării.

 

Unda dinți de ferăstrău formează o distanță, deci σ este o mărime adimensională care reflectă distanța de propagare. Pe baza acesteia, am calculat curba coeficientului de amplitudine a undei fundamentale și a primelor 3 armonice. Când unda sonoră se propagă în mediu, presiunea sonoră scade exponențial odată cu distanța, care poate fi exprimată într-o formă. Pentru țesuturile moi generale, coeficientul de atenuare TM este aproximativ proporțional cu frecvența. Pentru a simplifica calculul, acest articol exprimă coeficientul de atenuare al fiecărei componente armonice ca unde α este sistemul de atenuare a sunetului undei sonore de frecvență fundamentală în țesuturile biologice pe unitate de distanță.

 

 

Ar trebui să includă absorbția sunetului și împrăștierea țesutului. După luarea în considerare a celor doi factori de mai sus (neliniaritate și atenuare), expresia presiunii sonore în câmpul sonor focalizat poate fi extinsă la următoarea formă: este numărul de undă al fiecărei armonice. Această formulă este ceea ce numim algoritmul de suprapunere liniară al integralei Rayleigh.

 

Rezultat:

 

1 Influența atenuării medii asupra intervalului focal al sunetului

Parametrii traductorului sferic concav unit utilizat în această lucrare sunt: ​​raza de curbură R = 15 cm, raza deschiderii a = 42 cm, frecvența de lucru f = 1,7 MHz. Presupunând că mediul este țesut moale general, coeficientul său de atenuare α este în intervalul 01-30dB tocană (cm·Mz). Viteza sunetului, densitatea și alți parametri ai mediului sunt luați conform literaturii relevante. Pentru a studia coeficientul de atenuare ca un singur factor de influență, doar o singură frecvență, și anume frecvența fundamentală, trebuie calculată și analizată pentru legea de schimbare a domeniului focalizării sunetului cu diferite valori α. Din acest motiv, în formula (3), au fost efectuate o serie de calcule numerice luând M=1. Rezultatele arată că odată cu creșterea atenuării, adică atunci când α = 0,3, 13 și 23dB tocană (cm·Mhz), forma regiunii focale acustice de -6dB se schimbă treptat de la un elipsoid lung la un elipsoid scurt, iar axa lungă1 și axa scurtă a acestuia

 

2

Sunt 111, 104 și, respectiv, 92. Poziția zonei focale (poziția pe axa acustică), ultimele două sunt, respectiv, cu 30 mm și respectiv 65 mm înaintea primei de-a lungul axei acustice a traductorului. În același timp, capul zonei focale (capătul aproape de traductor) este mai 'gras' decât coada sa (capătul departe de traductor).

 

2 Efectul neliniarității cauzat de intensitatea ridicată a sunetului asupra intervalului de focalizare a sunetului este același, presiunea sonoră a radiației de suprafață este considerată ca un singur factor, iar valorile sale sunt, respectiv, 44, 73, 4 MPa și α = 3dB tocană (cm·MHz). Având în vedere că atenuarea mediului crește rapid odată cu creșterea frecvenței armonice, numărul de armonici nu trebuie să fie prea mare. Rezultatele calculului arată că: pe măsură ce presiunea sonoră a radiației de suprafață crește, poziția și forma zonei focale se schimbă, spre deosebire de când se modifică coeficientul de atenuare. Este atât de mare, dar legea sa schimbătoare este similară. Adică, pozițiile ultimelor două zone focale sunt deplasate înainte cu 16 mm și, respectiv, 21 mm; raportul dintre axa lungă și scurtă a zonei focale de 6 dB este de 119, 116 și, respectiv, 113, iar capul zonei focale are, de asemenea, tendința de a deveni „gras”.

 

3 Efectul combinat al atenuării și al neliniarității asupra intervalului focal al sunetului

Cei doi factori de mai sus sunt încorporați simultan în formula (3) pentru calcul. Figura 3(a) și respectiv Figura 3(b) arată că α=3dB tocană (cm·MHz), P′ 0=44MPa și α=2,3dB tocană (cm·MHz), P′ 0=44MPa

Când se iau în considerare efectele de atenuare și neliniare în același timp, conturul liniei de presiune izo-sunete în zona focală este rezultatul calculului din figură. În comparație cu cele două, poziția zonei focale s-a deplasat înainte cu 8,4 mm, iar raportul dintre axele majore și minore ale zonei focale s-a schimbat de la 11,9 la 8,5. Arată că tendința de schimbare a zonei focale cauzată de coeficientul de atenuare și neliniaritate este aceeași, astfel încât efectul general este întărit.

 

 

în concluzie

Analiza teoretică și rezultatele calculelor din această lucrare arată că intensitatea ridicată a sunetului și atenuarea medie au o influență importantă asupra formei și poziției zonei focale a sunetului; cu cât este mai mare coeficientul de atenuare al mediului, cu atât este mai mare intensitatea sunetului (adică neliniaritatea este mai puternică) și focalizarea sunetului Cu cât câmpul este mai aproape de traductor; raportul dintre axele lungi și scurte ale câmpului focal devine, de asemenea, mai mic, adică forma sa se schimbă treptat de la un elipsoid lung la un elipsoid scurt, iar capul zonei de focalizare a sunetului devine „gras” decât coada. Fenomen, forma tinde să fie „morcov”. Concluziile de mai sus oferă o bază pentru analiza cantitativă a legii schimbării zonei de focalizare a sunetului Câmpul de ceramică piezo HIFU și studiați în continuare relația dintre zona de focalizare a sunetului și zona de deteriorare.