Положение и форма звукового фокусного диапазона вогнутого сферического преобразователя HIFU

Цель изучения изменений в форме и геометрическом положении акустического фокального диапазона вогнутыхСферический ультразвуковой датчикКогда интенсивность звука высока, а среда имеет большое затухание. Методы с точки зрения физической акустики, анализируются эффекты нелинейности и ослабления средств массовой информации, вызванные высокой интенсивностью звука на фокус -диапазон звука, и алгоритм линейного суперпозиции интеграла Rayleigh используется для выполнения численных расчетов моделирования. Как теоретический анализ, так и численные расчеты показывают, что при увеличении интенсивности звука и ослабления среднего геометрическое положение акустической фокусной зоны имеет прогресс на уровне миллиметра вдоль акустической оси в направлении датчика; В то же время, акустическая фокусная зона форма постепенно изменилась от симметричного длинного эллипсоида на короткий эллипсоид с \"толстой головой и тонким хвостом \".

Высокая интенсивность звука и среднее ослабление оказывают важное влияние на положение и форму звуковой фокусной области вогнутого сферического преобразователя. Полное рассмотрение должно быть уделено точным позиционированию и контролю дозы оборудования HIFU, состава стандартов проверки и даже клиническому применению.

Моя страна сделала замечательные прорывы в разработке и клиническом применении высокоинтенсивного ультразвукового (высокоинтенсивного ультразвукового (HIFU) оборудования). Однако, чтобы по -настоящему достичь точного контроля дозы дозы лечения на оборудовании, чтобы клиническое лечение могло достичь идеального эффекта эффективного убийства поражения без повреждения окружающих нормальных тканей, все еще существует много теоретических и технических проблем, которые необходимо изучить и Решено в глубине. Внутренние и иностранные экспериментальные исследования по формированию повреждения HIFU в биологических тканях показали, что при увеличении интенсивности звука положение фокусной зоны движется вперед и постепенно изменяется от длинного эллипсоида к \"головаемой форме \" или \"Конус форма \". Хотя в последние годы иностранная литература сделала некоторые качественные объяснения для вышеуказанного явления, численно решав уравнение нелинейного распространения акустической волны (уравнение KZK), но процедура расчета сложна, а физическая связь в процессе расчета неясна. По этой причине в качестве примера этот документ принимает вогнутый сферический сферический преобразователь, и обсуждает проблему, изучая влияние ослабления среднего и нелинейных характеристик распространения при высокой интенсивности звука на звуковой фокусной диапазоне.

В нашей предыдущей работе, основанной на интеграле дифракции Кирхгофф, мы получили выражение звукового давления в любой точке в одночастотном полевом поле под условием линейного звукового поля с вогнутымСферический фокус -преобразовательс равномерным излучением на поверхности (также требуется точки Рэлея).

Из анализа нелинейной теории акустики, когда звуковое давление одночастотной синусоидальной волны, излучаемой с поверхности преобразователя в среду, достаточно большое, она называется \"конечная амплитуда волна \", которая распространяет определенное расстояние в среде (называемое прерывистым расстоянием). ), форма волны будет искажена в пилообразной волне, которая также может рассматриваться как ударная волна. В дополнение к фундаментальной частоте исходного излучения, частотный спектр этой волны также включает серию более высоких гармоник. Они постепенно генерируются путем постоянного поглощения энергии от фундаментальной волны во время распространения звуковых волн, то есть гармоник ткани при ультразвуковом медицине. Коэффициент амплитуды может быть использован для описания распространения гармоник высокого порядка с расстоянием распространения и взаимосвязи изменений энергии во время распространения.

Спилообразная волна образует расстояние, поэтому σ - безразмерная величина, отражающая расстояние распространения. Основываясь на этом, мы рассчитали кривую коэффициента амплитуды фундаментальной волны и первые 3 гармоники. Когда звуковая волна распространяется в среде, звуковое давление распадается экспоненциально с расстоянием, которое может быть выражено в форме. Для общих мягких тканей коэффициент ослабления t m примерно пропорционален частоте. Чтобы упростить расчет, эта статья выражает коэффициент затухания каждого гармонического компонента как там, где α является системой ослабления звука основополагающей частоты звуковой волны в биологических тканях на единицу расстояния.

Это должно включать в себя звуковое поглощение и рассеяние ткани. После рассмотрения двух вышеупомянутых факторов (нелинейность и ослабление) выражение звукового давления в целенаправленном звуковом поле может быть расширено на следующую форму: является ли волновое число каждой гармоники. Эта формула - то, что мы называем линейным алгоритмом суперпозиции Integral.

Результат:

1 Влияние среднего ослабления на звуковой фокус -диапазон

Параметры единицы вогнутого сферического датчика, используемого в этой статье: радиус кривизны r = 15 см, радиус апертуры a = 42 см, рабочая частота f = 1,7 МГц. Предполагая, что среда представляет собой общую мягкую ткань, его коэффициент ослабления α находится в диапазоне рагу 01-30 дБ (см · мц). Скорость звука, плотность и другие параметры среды принимаются в соответствии с соответствующей литературой. Чтобы изучить коэффициент затухания как единый фактор влияния, необходимо рассчитать только одну частоту, а именно основную частоту, необходимо рассчитать и проанализировать для закона об изменении домена звуковой фокусировки с различными значениями α. По этой причине в формуле (3) серия численных расчетов была выполнена путем принятия m = 1. Результаты показывают, что с увеличением ослабления, то есть, когда α = 0,3, 13 и 23 дБ (см · МГц), форма акустической фокальной области -6 дБ постепенно изменяется с длинного эллипсоида на короткий эллипсоид, и его длинная ось1 и короткая ось

2

Они 111, 104 и 92 соответственно. Положение фокальной зоны (положение на акустической оси), последние два составляют соответственно на 30 мм и 65 мм впереди первой вдоль акустической оси преобразователя. В то же время голова фокусной зоны (конец близко к преобразователю) - это скорее \"толстый \", чем его хвост (конец далеко от датчика).

2 Влияние нелинейности, вызванное высокой интенсивностью звука на диапазон фокусировки звука, одинаково, звуковое давление поверхностного излучения рассматривается как один фактор, а его значения соответственно 44, 73, 4 МПа и α = рагу 3db (см · МГц). Учитывая, что ослабление среды быстро увеличивается с увеличением частоты гармоники, число гармоник не должно быть слишком много. Результаты расчета показывают, что: по мере увеличения звукового давления поверхностного радиации, положение и форма изменения фокальной зоны, в отличие от того, когда изменяется коэффициент затухания, оно так большое, но его изменяющийся закон похож. То есть положения последних двух центров перемещаются на 16 мм и 21 мм соответственно; Соотношение длинной и короткой оси центральной части 6 дБ составляет 119, 116 и 113 соответственно, а голова центральной области также имеет тенденцию становиться \"толстым \".

3 Совокупное влияние ослабления и нелинейности в диапазоне фокуса звука

Приведенные выше два фактора одновременно включены в формулу (3) для расчета. Рисунок 3 (a) и рисунок 3 (b) соответственно показывают, что α = 3db рагу (см · МГц), p ′ 0 = 44mpa и α = 2,3 дБ рагу (см · МГц), p ′ 0 = 44mpa

При рассмотрении ослабления и нелинейных эффектов одновременно контур линии давления ISO-звука в фокальной зоне является результатом расчета на рисунке. По сравнению с этими двумя позициями фокусной зоны продвинулась на 8,4 мм, а соотношение основных и незначительных осей фокусной зоны изменилось с 11,9 до 8,5. Это показывает, что тенденция изменения фокусной зоны, вызванная коэффициентом затухания и нелинейностью, является одинаковой, поэтому общий эффект усиливается.

В заключение

Теоретический анализ и результаты расчета в этой статье показывают, что высокая интенсивность звука и ослабление среднего уровня оказывают важное влияние на форму и положение зоны фокуса звука; Чем больше коэффициент затухания среды, тем выше интенсивность звука (то есть, тем сильнее нелинейность), и чем звук фокусируется, тем ближе поле к преобразователю; Соотношение длинных и коротких оси фокусного поля также становится меньше, то есть его форма постепенно меняется от длинного эллипсоида к короткому эллипсоиду, и голова области фокусировки звука становится \"жирным \", чем хвост. Феномен, форма имеет тенденцию быть \"Морковью \". Приведенные выше выводы обеспечивают основу для количественного анализа закона об изменении области фокусировкиХифу пьезо керамикаполе и дальше изучайте взаимосвязь между областью фокусировки звука и зоной повреждения.