Die Position und Form des Schall -Schwerpunktbereichs des konkaven sphärischen HIFU -Wandlers

Ziel, die Veränderungen in der Form und der geometrischen Position des akustischen Fokusbereichs des Konkaven zu untersuchensphärische UltraschallwandlerWenn die Schallintensität hoch ist und das Medium eine große Abschwächung hat. Methoden aus der Perspektive der physischen Akustik, die Auswirkungen von Nichtlinearität und Medienminderung, die durch eine hohe Schallintensität auf den Schall -Schwerpunkt -Bereich verursacht werden, werden analysiert, und der lineare Überlagerungsalgorithmus von Rayleigh Integral wird zur Durchführung numerischer Simulationsberechnungen verwendet. Sowohl die theoretische Analyse als auch die numerische Berechnung zeigen, dass die geometrische Position der akustischen Fokuszone mit zunehmender Schallintensität und mittlerer Dämpfung entlang der akustischen Achse in Richtung des Wandlers einen Vormarsch auf Millimeterebene aufweist. Gleichzeitig änderte sich die akustische Fokuszone.

Hohe Schallintensität und mittlere Dämpfung haben einen wichtigen Einfluss auf die Position und Form des Schallfokusbereichs des konkaven sphärischen Wandlers. Die genaue Positionierung und Dosiskontrolle der HIFU -Geräte, die Formulierung von Inspektionsstandards und sogar die klinische Anwendung sollten vollständig berücksichtigt werden.

Mein Land hat bemerkenswerte Durchbrüche in der Entwicklung und der klinischen Anwendung von hochintensiven Ultraschall (hochintensiven Ultraschallgeräten (HIFU)) erzielt. Um jedoch eine genaue Positionierung und Behandlungsdosiskontrolle für die Geräte zu erreichen, damit die klinische Behandlung den idealen Effekt erzielen kann, die Läsion effektiv abzutöten, ohne die umgebenden normalen Gewebe zu beschädigen, gibt es immer noch viele theoretische und technische Probleme, die untersucht und untersucht werden müssen und müssen ausführlich gelöst. Inländische und fremde experimentelle Studien zur Bildung von Schäden von HIFU in biologischen Geweben haben gezeigt, dass mit zunehmender Schallintensität die Position der Fokuszone vorwärts bewegt und sich allmählich von einem langen Ellipsoid zu einer \"Kaulquappenform \" oder einem \"Kaulquappenform ändert \"Kegelform \". Obwohl in den letzten Jahren die ausländische Literatur einige qualitative Erklärungen für das obige Phänomen gemacht hat, indem die nichtlineare akustische Wellenausbreitungsgleichung (KZK -Gleichung) numerisch gelöst wird, ist das Berechnungsverfahren jedoch kompliziert und die physikalische Beziehung im Berechnungsprozess ist unklar. Aus diesem Grund nimmt dieses Papier den konkaven sphärischen Fokussierungswandler als Beispiel auf und diskutiert das Problem, indem er den Einfluss der mittleren Dämpfung und die nichtlinearen Ausbreitungsmerkmale unter hoher Tonintensität auf den Schall -Schwerpunktbereich untersucht.

In unserer früheren Arbeit haben wir basierend auf dem Kirchhoff-Beugungsintegral den Ausdruck des Schalldrucks an jedem Punkt im Einzelfrequenzschallfeld unter dem Zustand eines linearen Schallfelds mit einem Konkav abgeleitetSphärische Fokussierungswandlermit gleichmäßiger Strahlung auf der Oberfläche (auch Rayleigh -Punkte gefordert).

Aus der Analyse der nichtlinearen Akustiktheorie, wenn der Schalldruck der Einzelfrequenz-Sinuswelle von der Oberfläche des Wandlers in das Medium ausstrahlt, wird sie als \"Finite-Amplitudenwelle\" bezeichnet, was eine bestimmte Entfernung ausbreitet im Medium (als diskontinuierliche Entfernung bezeichnet). ), die Wellenform wird in eine Sägezahnwelle verzerrt, die auch als Stoßwelle angesehen werden kann. Zusätzlich zur Grundfrequenz der ursprünglichen Emission umfasst das Frequenzspektrum dieser Welle auch eine Reihe höherer Harmonischer. Sie werden allmählich erzeugt, indem Energie während der Ausbreitung von Schallwellen kontinuierlich von der grundlegenden Welle absorbiert, dh die Gewebeharmonischen in der Ultraschallmedizin. Der Amplitudenkoeffizient kann verwendet werden, um die Ausbreitung von Harmonischen hoher Ordnung mit dem Ausbreitungsabstand und der Beziehung von Energieveränderungen während der Ausbreitung zu beschreiben.

Die Sägezahnwelle bildet einen Abstand, daher ist σ eine dimensionslose Menge, die den Ausbreitungsabstand widerspiegelt. Basierend darauf haben wir die Amplitudenkoeffizientenkurve der Grundwelle und die ersten 3 Harmonischen berechnet. Wenn sich die Schallwelle im Medium ausbreitet, zerfällt der Schalldruck exponentiell mit dem Abstand, der in einer Form ausgedrückt werden kann. Für allgemeine Weichteile ist der Dämpfungskoeffizient T M ungefähr proportional zur Frequenz. Um die Berechnung zu vereinfachen, drückt dieser Artikel den Abschwächungskoeffizienten jeder harmonischen Komponente als wobei α das Schallabschwächungssystem der Grundfrequenzschallwelle in biologischen Geweben pro Entfernung der Einheit ist.

Es sollte die Schallabsorption und Streuung des Gewebes enthalten. Nachdem die oben genannten zwei Faktoren (Nichtlinearität und Dämpfung) berücksichtigt werden, kann der Ausdruck des Schalldrucks im fokussierten Schallfeld auf die folgende Form erweitert werden: Ist die Wellenzahl jeder Harmonischen. Diese Formel nennen wir den linearen Überlagerungsalgorithmus von Rayleigh Integral.

Ergebnis:

1 Der Einfluss der mittleren Dämpfung auf den Schallschwererbereich

Die Parameter des in diesem Papier verwendeten konkaven kugelförmigen Wandlers sind: Krümmungsradius r = 15 cm, Radius der Apertur A = 42 cm, Arbeitsfrequenz F = 1,7 MHz. Unter der Annahme, dass das Medium ein allgemeines Weichgewebe ist, liegt sein Dämpfungskoeffizient α im Bereich von 01-30 dB Eintopf (cm · mz). Die Schallgeschwindigkeit, die Dichte und andere Parameter des Mediums werden gemäß der entsprechenden Literatur genommen. Um den Dämpfungskoeffizienten als einzelne Einflussfaktor zu untersuchen, muss nur eine einzelne Häufigkeit, nämlich die grundlegende Häufigkeit, berechnet und für das Änderungsgesetz der Klangfokusdomäne mit unterschiedlichen α -Werten analysiert werden. Aus diesem Grund wurde in der Formel (3) eine Reihe numerischer Berechnungen durch Einnahme von M = 1 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Dämpfung, dh wenn α = 0,3, 13 und 23 dB Eintopf (cm · mhz), die Form der akustischen Fokusregion -6 dB allmählich von einem langen Ellipsoid zu einem kurzen Ellipsoid und dessen sich wechselt, und der Longachse1 und Kurzachse

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Sie sind 111, 104 bzw. 92. Die Position der Fokuszone (Position auf der akustischen Achse), die beiden letzteren sind jeweils 30 mm und 65 mm vor der ersteren entlang der akustischen Achse des Wandlers. Gleichzeitig ist der Kopf der Brennzone (das Ende in der Nähe des Wandlers) mehr \"Fett\" als sein Schwanz (das Ende weit vom Wandler).

2 Der Effekt der Nichtlinearität, die durch eine hohe Schallintensität auf den Schallfokusbereich verursacht wird (cm · mhz). Angesichts der Tatsache, dass die Abschwächung des Mediums mit der Zunahme der harmonischen Häufigkeit rasch zunimmt, muss die Anzahl der Harmonischen nicht zu viele sein. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass: Mit zunehmendem Schalldruck der Oberflächenstrahlung die Position und Form der Fokuszonenänderung, anders als der Dämpfungskoeffizient, so groß ist, aber das sich ändernde Gesetz ist ähnlich. Das heißt, die Positionen der beiden letztgenannten Brennbereiche werden jeweils um 16 mm bzw. 21 mm bewegt. Das Verhältnis der langen und kurzen Achse des 6DB -Schwerpunktbereichs beträgt 119, 116 bzw. 113, und der Kopf des Brennbereichs neigt auch dazu, \"Fett\" zu werden.

3 Der kombinierte Effekt der Dämpfung und Nichtlinearität auf den Schallschwererbereich

Die beiden oben genannten Faktoren werden gleichzeitig zur Berechnung in die Formel (3) einbezogen. 3 (a) und 3 (b) zeigen, dass α = 3 dB Eintopf (cm · mhz), p '0 = 44 mPa und α = 2,3 dB Eintopf (cm · mHz), p' 0 = 44 mPa

Bei der gleichzeitigen Berücksichtigung von Dämpfungen und nichtlinearen Effekten ist die Kontur der ISO-Sound-Drucklinie in der Brennzone die Berechnung in der Abbildung. Im Vergleich zu den beiden hat sich die Position der Brennzonen um 8,4 mm verschoben, und das Verhältnis der Haupt- und Nebenachsen der Brennzone hat sich von 11,9 auf 8,5 geändert. Es zeigt, dass der Veränderungstrend der Fokuszone, die durch den Dämpfungskoeffizienten und die Nichtlinearität verursacht werden, gleich ist, sodass der Gesamteffekt gestärkt wird.

abschließend

Die theoretischen Analyse- und Berechnungsergebnisse in diesem Artikel zeigen, dass eine hohe Schallintensität und mittlere Abschwächung einen wichtigen Einfluss auf die Form und Position der Schallschallungszone haben. Je größer der Dämpfungskoeffizient des Mediums ist, desto höher ist die Schallintensität (dh desto stärker die Nichtlinearität), und der Schallfokus desto näher des Feldes ist dem Wandler. Das Verhältnis der langen und kurzen Achsen des Fokusfeldes wird ebenfalls kleiner, dh seine Form ändert sich allmählich von einem langen Ellipsoid zu einer kurzen Ellipsoid, und der Kopf des Schallfokusbereichs wird zu \"Fett \" als der Schwanz. Phänomen, die Form ist in der Regel \"Karotte\". Die obigen Schlussfolgerungen bilden eine Grundlage für die quantitative Analyse des Änderungsgesetzes des soliden Fokusbereichs derHifu Piezo -KeramikFeld und weiter untersuchen die Beziehung zwischen dem Schallfokusbereich und dem Schadensbereich.