Положення та форма фокусного діапазону звуку увігнутого сферичного датчика HIFU

Мета Дослідити зміни форми та геометричного положення акустичного фокусного діапазону увігнутого сферичний ультразвуковий перетворювач, коли інтенсивність звуку висока, а середовище має велике загасання. Методи З точки зору фізичної акустики проаналізовано вплив нелінійності та ослаблення середовища, спричинених високою інтенсивністю звуку, на фокусний діапазон звуку, а алгоритм лінійної суперпозиції інтеграла Релея використовується для виконання розрахунків чисельного моделювання. Як теоретичний аналіз, так і чисельний розрахунок показують, що зі збільшенням інтенсивності звуку та середнього затухання геометричне положення акустичної фокальної зони має просування на рівні міліметра вздовж акустичної осі в напрямку перетворювача; при цьому форма акустичної фокальної зони поступово змінювалася від симетричного довгого еліпсоїда до короткого еліпсоїда з «товстою головою і тонким хвостом».

 

Висока інтенсивність звуку та середнє затухання мають важливий вплив на положення та форму звукової фокусної області увігнутого сферичного перетворювача. Слід приділяти повну увагу точному розташуванню та контролю дози обладнання HIFU, формулюванню стандартів перевірки та навіть клінічному застосуванню.

 

моя країна зробила значний прорив у розробці та клінічному застосуванні високоінтенсивного сфокусованого ультразвуку (обладнання для високоінтенсивного сфокусованого ультразвуку (HIFU)). Однак, щоб справді досягти точного позиціонування та контролю дози лікування на обладнанні, щоб клінічне лікування могло досягти ідеального ефекту ефективного знищення ураження без пошкодження навколишніх нормальних тканин, ще є багато теоретичних і технічних питань, які необхідно вивчити та вирішити поглиблено. Вітчизняні та зарубіжні експериментальні дослідження формування пошкоджень HIFU в біологічних тканинах показали, що зі збільшенням інтенсивності звуку положення фокальної зони просувається вперед і поступово змінюється від довгого еліпсоїда до «форми пуголовка» або «форми конуса». Хоча в останні роки в іноземній літературі було зроблено деякі якісні пояснення вищезазначеного явища шляхом чисельного розв’язання нелінійного рівняння поширення акустичної хвилі (рівняння КЗК), але процедура розрахунку є складною, а фізичний зв’язок у процесі розрахунку незрозумілим. З цієї причини в цій статті береться увігнутий сферичний фокусуючий перетворювач як приклад і обговорюється проблема шляхом вивчення впливу ослаблення середовища та характеристик нелінійного розповсюдження за високої інтенсивності звуку на діапазон фокусування звуку.

 

У нашій попередній роботі на основі дифракційного інтеграла Кірхгофа ми отримали вираз звукового тиску в будь-якій точці одночастотного звукового поля за умови лінійного звукового поля з увігнутою сферичний фокусуючий перетворювач з рівномірним випромінюванням на поверхні (також званий точками Релея).

 

З аналізу теорії нелінійної акустики, коли звуковий тиск одночастотної синусоїди, що випромінюється від поверхні перетворювача в середовище, є достатньо великим, це називається 'хвилею кінцевої амплітуди', яка поширюється на певну відстань у середовищі (так звану розривну відстань). ), форма сигналу буде спотворена в пилкоподібну хвилю, яку також можна розглядати як ударну хвилю. На додаток до основної частоти вихідного випромінювання частотний спектр цієї хвилі також включає серію вищих гармонік. Вони поступово генеруються шляхом постійного поглинання енергії основної хвилі під час поширення звукових хвиль, тобто тканинних гармонік в ультразвуковій медицині. Коефіцієнт амплітуди можна використовувати для опису поширення гармонік високого порядку з відстанню поширення та взаємозв’язком змін енергії під час поширення.

 

Пилоподібна хвиля утворює відстань, тому σ є безрозмірною величиною, що відображає відстань поширення. На основі цього ми розрахували криву амплітудного коефіцієнта основної хвилі та перших 3 гармонік. Коли звукова хвиля поширюється в середовищі, звуковий тиск експоненціально спадає з відстанню, що можна виразити у формі. Для загальних м’яких тканин коефіцієнт ослаблення TM приблизно пропорційний частоті. Щоб спростити обчислення, у цій статті коефіцієнт ослаблення кожної гармонічної складової виражається як де α – система ослаблення звуку основної частоти звукової хвилі в біологічних тканинах на одиницю відстані.

 

 

Він повинен включати звукопоглинання і розсіювання тканини. Після врахування двох вищезазначених факторів (нелінійність і затухання) вираз звукового тиску у сфокусованому звуковому полі можна розширити до такої форми: це хвильове число кожної гармоніки. Цю формулу ми називаємо алгоритмом лінійної суперпозиції інтеграла Релея.

 

Результат:

 

1 Вплив середнього затухання на фокусну відстань звуку

Параметри одиничного увігнутого сферичного перетворювача, що використовується в даній роботі: радіус кривизни R = 15 см, радіус апертури a = 42 см, робоча частота f = 1,7 МГц. Припускаючи, що середовищем є звичайна м’яка тканина, його коефіцієнт ослаблення α знаходиться в діапазоні 01-30 дБ stew (см·Мз). Швидкість звуку, щільність та інші параметри середовища приймаються згідно з відповідною літературою. Щоб досліджувати коефіцієнт затухання як єдиний впливовий фактор, потрібно розрахувати та проаналізувати лише одну частоту, а саме основну частоту, для зміни закону області фокусування звуку з різними значеннями α. З цієї причини у формулі (3) було проведено ряд чисельних розрахунків, прийнявши M=1. Результати показують, що зі збільшенням затухання, тобто коли α = 0,3, 13 і 23 дБ stew (см·МГц), форма акустичної фокальної області -6 дБ поступово змінюється від довгого еліпсоїда до короткого еліпсоїда, а його довга вісь1 і коротка вісь

 

2

Їх 111, 104 і 92 відповідно. Положення фокальної зони (положення на акустичній осі), дві останні відповідно на 30 мм і 65 мм попереду першої вздовж акустичної осі перетворювача. При цьому головка фокальної зони (кінець, близький до датчика) більш «жирний», ніж її хвіст (кінець, віддалений від перетворювача).

 

2 Вплив нелінійності, спричиненої високою інтенсивністю звуку, на діапазон фокусування звуку є однаковим, звуковий тиск поверхневого випромінювання розглядається як єдиний фактор, і його значення становлять відповідно 44, 73, 4 МПа та α = 3 дБ stew (см·МГц). Враховуючи, що загасання середовища швидко зростає зі збільшенням частоти гармонік, кількість гармонік не повинна бути надто великою. Результати розрахунків показують, що зі збільшенням звукового тиску поверхневого випромінювання положення та форма фокальної зони змінюються на відміну від зміни коефіцієнта ослаблення. Він такий великий, але його закон зміни подібний. Тобто положення двох останніх фокусних областей зміщено вперед на 16 мм і 21 мм відповідно; співвідношення довгої та короткої осі фокусної зони 6 дБ становить 119, 116 і 113 відповідно, головна частина фокусної зони також має тенденцію ставати «жирною».

 

3 Комбінований вплив ослаблення та нелінійності на фокусний діапазон звуку

У формулу (3) для розрахунку одночасно включені два вищезазначені фактори. На рисунках 3(a) і 3(b) відповідно показано, що α=3dB stew (см·МГц), P′ 0=44MPa та α=2,3dB stew (см·МГц), P′ 0=44MPa

При одночасному розгляді затухання та нелінійних ефектів результатом розрахунку на малюнку є контур лінії ізозвукового тиску у фокальній зоні. Порівняно з двома, положення фокальної зони змістилося вперед на 8,4 мм, а співвідношення великої та малої осей фокальної зони змінилося з 11,9 до 8,5. Це показує, що тенденція зміни фокусної зони, спричинена коефіцієнтом ослаблення та нелінійністю, однакова, тому загальний ефект посилюється.

 

 

на закінчення

Результати теоретичного аналізу та розрахунків у цій статті показують, що висока інтенсивність звуку та середнє затухання мають важливий вплив на форму та положення звукової фокусної зони; чим більший коефіцієнт ослаблення середовища, тим вища інтенсивність звуку (тобто тим сильніша нелінійність), а фокус звуку Чим ближче поле до перетворювача; співвідношення довгої і короткої осей фокального поля також стає меншим, тобто його форма поступово змінюється від довгого еліпсоїда до короткого еліпсоїда, а головка зони фокусування звуку стає «жирнішою» ніж хвіст. Феномен, форма тяжіє до 'моркви'. Наведені вище висновки створюють основу для кількісного аналізу закону зміни зони фокусування звуку Поле п’єзокераміки HIFU та подальше вивчення зв’язку між зоною фокусування звуку та зоною пошкодження.