La posición y la forma del rango focal de sonido del transductor de hifu esférico cóncavo.

Objetivo Estudiar los cambios en la forma y la posición geométrica del rango focal acústico de la cóncava.Transductor ultrasónico esféricoCuando la intensidad del sonido es alta y el medio tiene una gran atenuación. MÉTODOS A partir de la perspectiva de la acústica física, se analizan los efectos de la no linealidad y la atenuación de los medios causados ​​por una alta intensidad de sonido en el rango focal de sonido, y se utiliza el algoritmo de superposición lineal de la integral de Rayleigh para realizar cálculos de simulación numérica. Tanto el análisis teórico como el cálculo numérico muestran que con el aumento de la intensidad de sonido y la atenuación media, la posición geométrica de la zona focal acústica tiene un avance a nivel de milímetro a lo largo del eje acústico en la dirección del transductor; Al mismo tiempo, la zona focal acústica, la forma cambió gradualmente de un elipsoide largo simétrico a un elipsoide corto con una \"cabeza gorda y cola delgada\".

La intensidad de alto sonido y la atenuación media tienen una influencia importante en la posición y la forma de la región focal de sonido del transductor esférico cóncavo. Se debe considerar la plena consideración al control preciso de posicionamiento y la dosis de equipos de HIFU, la formulación de estándares de inspección e incluso la aplicación clínica.

Mi país ha hecho avances notables en el desarrollo y la aplicación clínica de ultrasonido enfocado de alta intensidad (equipo de ultrasonido enfocado de alta intensidad (HIFU)). Sin embargo, para lograr verdaderamente el control preciso de la dosis de posicionamiento y tratamiento en el equipo, de modo que el tratamiento clínico pueda lograr el efecto ideal de matar efectivamente la lesión sin dañar los tejidos normales circundantes, todavía hay muchos problemas teóricos y técnicos que deben estudiarse y resuelto en profundidad. Los estudios experimentales nacionales y extranjeros sobre la formación de daños de HIFU en tejidos biológicos han demostrado que con el aumento de la intensidad del sonido, la posición de la zona focal se mueve hacia adelante y cambia gradualmente de un largo elipsoide a una\"forma de tadpole\" o un \"forma de cono\". Aunque en los últimos años, la literatura extranjera ha hecho algunas explicaciones cualitativas para el fenómeno anterior al resolver numéricamente la ecuación de propagación de ondas acústicas no lineales (ecuación de KZK), pero el procedimiento de cálculo es complicado y la relación física en el proceso de cálculo no está clara. Por esta razón, este documento toma el transductor de enfoque esférico cóncavo como ejemplo, y discute el problema al estudiar la influencia de la atenuación media y las características de propagación no lineal en alta intensidad de sonido en el rango focal de sonido.

En nuestro trabajo anterior, según la integral de difracción de Kirchhoff, hemos derivado la expresión de la presión de sonido en cualquier punto en el campo de sonido de una sola frecuencia bajo la condición de un campo de sonido lineal con un cóncavoTransductor de enfoque esféricocon radiación uniforme en la superficie (también se piden puntos de rayleigh).

Desde el análisis de la teoría de la acústica no lineal, cuando la presión de sonido de la onda sinusoidal de una sola frecuencia irradiada de la superficie del transductor al medio es lo suficientemente grande, se llama una \"onda de amplitud finita\", que propaga una cierta distancia en el medio (llamado la distancia discontinua). ), la forma de onda se distorsionará en una onda de sierra, que también puede considerarse como una onda de choque. Además de la frecuencia fundamental de la emisión original, el espectro de frecuencia de esta ola también incluye una serie de armónicos más altos. Se generan gradualmente por absorber continuamente la energía de la onda fundamental durante la propagación de ondas de sonido, es decir, los armónicos del tejido en medicina de ultrasonido. El coeficiente de amplitud se puede usar para describir la propagación de los armónicos de alto orden con la distancia de propagación y la relación de los cambios de energía durante la propagación.

La onda de sierra de sierra forma una distancia, por lo que σ es una cantidad sin dimensiones que refleja la distancia de propagación. Sobre la base de esto, hemos calculado la curva de coeficiente de amplitud de la onda fundamental y los primeros 3 armónicos. Cuando la onda de sonido se propaga en el medio, la presión de sonido se descompone de manera exponencialmente con la distancia, que se puede expresar en un formulario. Para los tejidos blandos generales, el coeficiente de atenuación t m es aproximadamente proporcional a la frecuencia. Para simplificar el cálculo, este artículo expresa el coeficiente de atenuación de cada componente armónico, ya que α es el sistema de atenuación de sonido de la onda de sonido fundamental de la frecuencia en tejidos biológicos por unidad de distancia.

Debe incluir la absorción de sonido y la dispersión del tejido. Después de considerar los dos factores anteriores (no linealidad y atenuación), la expresión de la presión de sonido en el campo de sonido enfocado puede extenderse a la siguiente forma: es el número de onda de cada armónico. Esta fórmula es lo que llamamos el algoritmo de superposición lineal de la integral de Rayleigh.

Resultado:

1 La influencia de la atenuación media en el rango focal de sonido.

Los parámetros de la unidad del transductor esférico cóncavo utilizado en este documento son: radio de curvatura R = 15 cm, radio de abertura A = 42 cm, frecuencia de trabajo F = 1.7 MHz. Suponiendo que el medio es un tejido blando general, su coeficiente de atenuación α está en el rango de estofado de 01-30dB (cm · mz). La velocidad de sonido, la densidad y otros parámetros del medio se toman de acuerdo con la literatura correspondiente. Para estudiar el coeficiente de atenuación como un factor de influencia única, solo una frecuencia única, es decir, la frecuencia fundamental, debe calcularse y analizarse para la ley de cambio del dominio de enfoque de sonido con diferentes valores α. Por esta razón, en la fórmula (3), se llevaron a cabo una serie de cálculos numéricos tomando m = 1. Los resultados muestran que con el aumento de la atenuación, es decir, cuando α = 0.3, 13 y 23db guisado (cm · MHz), la forma de la región focal acústica -6dB acústica cambia gradualmente de un largo elipsoide a un elipsoide corto, y su Eje largo y eje corto

2

Son 111, 104 y 92 respectivamente. La posición de la zona focal (posición en el eje acústico), los dos últimos son respectivamente 30 mm y 65 mm delante del primero a lo largo del eje acústico del transductor. Al mismo tiempo, la cabeza de la zona focal (el extremo cercano al transductor) es más \"gordo\" que su cola (el final del transductor).

2 El efecto de la no linealidad causada por una alta intensidad de sonido en el rango de enfoque de sonido es el mismo, la presión de sonido de radiación de la superficie se considera como un solo factor, y sus valores son respectivamente 44, 73, 4 MPa, y α = estofado 3DB (cm · mhz). Teniendo en cuenta que la atenuación del medio aumenta rápidamente con el aumento de la frecuencia armónica, el número de armónicos no necesita ser demasiado. Los resultados del cálculo muestran que: a medida que aumenta la presión de sonido de radiación de la superficie, la posición y la forma del cambio de la zona focal, a diferencia de cuando el coeficiente de atenuación cambia, es tan grande, pero su ley cambiante es similar. Es decir, las posiciones de las últimas dos áreas focales se mueven hacia adelante por 16 mm y 21 mm respectivamente; La proporción del eje largo y corto del área focal 6DB es 119, 116 y 113 respectivamente, y la cabeza del área focal también tiene una tendencia a convertirse en \"gordo\".

3 El efecto combinado de la atenuación y la no linealidad en el rango focal de sonido.

Los dos factores anteriores se incorporan simultáneamente a la fórmula (3) para el cálculo. La Figura 3 (a) y la Figura 3 (B) muestran respectivamente que α = guiso 3DB (cm · MHz), P '0 = 44MPA y α = 7,3DB Stew (cm · MHz), P' 0 = 44MPA

Al considerar la atenuación y los efectos no lineales al mismo tiempo, el contorno de la línea de presión iso-sonido en la zona focal es el resultado del cálculo en la figura. En comparación con los dos, la posición de la zona focal se ha movido hacia adelante en 8,4 mm, y la relación entre los ejes mayores y menores de la zona focal ha cambiado de 11.9 a 8.5. Muestra que la tendencia de cambio de la zona focal causada por el coeficiente de atenuación y la no linealidad es la misma, por lo que se fortalece el efecto general.

En conclusión

El análisis teórico y el cálculo producen en este documento muestran que la intensidad de alto sonido y la atenuación media tienen una influencia importante en la forma y la posición de la zona focal del sonido; Cuanto mayor sea el coeficiente de atenuación del medio, mayor será la intensidad del sonido (es decir, más fuerte la no lineal), y el sonido se enfoca, más cerca del campo es el transductor; La proporción de los ejes largos y cortos del campo focal también se vuelve más pequeño, es decir, su forma cambia gradualmente de un elipsoide largo a un elipsoide corto, y la cabeza del área de enfoque de sonido se convierte en\"grasa\" que la cola. Fenómeno, la forma tiende a ser \"Zanahoria\". Las conclusiones anteriores proporcionan una base para analizar cuantitativamente la ley de cambio del área de enfoque de sonido delHIFU PIEZO CERAMICSCampo, y estudiar aún más la relación entre el área de enfoque de sonido y el área de daño.