Enkeltelementfokuserende ultralydstransducere

Enkeltelementsfokuserende ultralydsudsender  er enheder, der skaber fokuserede ultralydsstråler og er lavet i form af et enkelt piezoelektrisk udstrålingselement , hvis overflade i de fleste tilfælde er givet en sfærisk eller cylindrisk form [1] . De mest udbredte er de såkaldte sfæriske fokuserende emittere, som er i form af et sfærisk segment i form af en skål, hvis diameter er meget større end bølgelængden af ​​ultralyd [1] . I sådanne systemer konvergerer bølgefronten til fokushar en oprindeligt sfærisk form, hvilket fører til koncentrationen af ​​ultralydsenergi i fokalområdet. Diameteren af ​​fokalområdet er meget mindre end emitterens diameter og kan sammenlignes i størrelsesorden med bølgelængden af ​​ultralyd. På grund af denne funktion overstiger intensiteten af ​​ultralyd ved fokus væsentligt intensiteten ved kildeoverfladen. Sammen med enkelt-element radiatorer kan fokuserede stråler skabes med multi-element radiatorer ( fasede antenne arrays ), der er mere komplekse i design og styring, som ikke tages i betragtning her.

Enkeltelementfokuserende ultralydsudsender er mest udbredt i klinisk og eksperimentel medicin [2] . Normalt overstiger intensiteten på overfladen af ​​piezokeramiske ultralydsudsendere under langvarig drift ikke 10 W / cm 2 , og hvis emitteren er godt afkølet - 20-40 W / cm 2 . Registrer intensitetsværdier opnået på overfladen af ​​piezoelektriske plader i tilstanden med kontinuerlig stråling når 300 W/cm 2 [3] . På samme tid, når man bruger moderne fokuseringssystemer, herunder enkeltelement-emittere, er det ikke svært at opnå hundreder og tusinder af gange højere ultralydsintensiteter ved fokus og nå niveauer i størrelsesordenen tusinder og titusindvis af watt pr. cm 2 [1] [4] . Dette gør det muligt, når man bruger visse parametre for ultralydseksponering, at forårsage non-invasivt i kroppens dybe væv en række af stimulerende og terapeutiske virkninger, samt at skabe ødelæggelse af en forudbestemt størrelse uden at beskadige omgivende væv, hvilket er ekstremt vigtigt. til medicin [2] [4] .

Historie

Fokusemittere lavet af kvarts , hvis overflader fik en konkav form, blev først foreslået i midten af ​​1930'erne [5] [1] . I 1942 blev en af ​​de første sådanne emittere brugt i eksperimenter på leverprøver og når de blev udsat for fokuseret ultralyd på dyrehjernestrukturer gennem kraniet [6] . Sådanne emittere var ikke kun dyre og vanskelige at fremstille, men tillod heller ikke at skabe en korrekt in-fase bølgefront på grund af retningsafhængigheden af ​​kvarts piezoelektriske egenskaber . Da krystallens elektriske akse danner forskellige vinkler med normalen på forskellige punkter på den sfæriske overflade, er den udstrålede energi ujævnt fordelt over dens overflade [1] . Derfor er det umuligt at lave en fokuseringsemitter med stor overfladekrumning af kvarts [7] .

Fokusemittere til brug i medicin, fremstillet i slutningen af ​​1950'erne, blev lavet på basis af flade kvarts-emittere med fokuseringslinser lavet af plast [8] [9] [10] . I laboratoriet hos prof. W. Fry ( eng.  W. Fry ), USA, brugte et design bestående af fire fokuserende emittere, hvis indbyrdes position var reguleret således, at fokusområderne for alle emittere faldt sammen med hinanden [9] [11] .

En væsentlig ulempe ved sådanne fokuseringssystemer er ikke kun kompleksiteten af ​​designet, men også det faktum, at op til 40% af den udsendte akustiske energi absorberes i fokuslinsen [9] . På grund af forskellen i linsens og udbredelsesmediets akustiske impedans reflekteres noget af bølgeenergien desuden fra grænsefladerne og er ikke korrekt fokuseret. Overophedning af linserne og som følge heraf deres skade er især udtalt ved høje frekvenser og høje ultralydsintensiteter. På trods af disse mangler bruges fokusering med linser aktivt i moderne fokuseringsenheder. I ultralydssensorer, der anvendes i medicinsk diagnostik, bruges cylindriske linser til at indstille scanningsområdet i form af et tyndt lag [12] [4] . Fokusering med en linse bruges i et af designs af den elektromagnetiske chokbølge lithotripter [13] [14] . Med fremkomsten af ​​3D-print er fremstillingen af ​​akustiske linser blevet lettere, og der kan forventes mere brug.

En anden metode til at skabe fokuserede akustiske felter er metoden baseret på refleksion af plane eller sfærisk divergerende bølger fra konkave overflader. Historisk set er denne fokuseringsmetode blevet brugt i vid udstrækning ved ekstrakorporal chokbølgelitotripsi. Så i elektrohydrauliske lithotriptere bruges en elektrisk udladning i vand som en stødbølgekilde [13] [14] [15] . For at fokusere denne puls på nyrestenen bruges en metalreflektor, hvis overflade er lavet i form af en halv-ellipsoide af omdrejning. En elektrisk udladning produceres ved det ene af ellipsoidfokuserne, og målet (nyresten) placeres ved det andet fokus. En sfærisk divergerende kraftig akustisk puls exciteret af en elektrisk udladning bliver til en fokuseret bølge, der konvergerer ved det andet fokus af ellipsoiden [13] [14] . En anden type reflektor bruges i konstruktionen af ​​en "elektromagnetisk" lithotripter, hvor en cylindrisk membran pulseret af et magnetfelt skaber en cylindrisk divergerende bølge. Denne bølge er rettet mod reflektoren med en profil dannet af parablens rotation omkring aksen, der passerer gennem fokus og vinkelret på parablens akse [16] . Med denne form af den reflekterende overflade konvergerer den cylindriske bølge i parablens fokus, som er rettet mod nyrestenen; en lignende tilgang bruges i design af nogle terapeutiske ultralydsapplikatorer [17] .

Ulemperne ved at bruge reflektorer til at fokusere ultralyd er det omfangsrige design og tabene forbundet med ikke-ideal refleksion.

Manglerne i akustiske linser og reflektorer, hvis princip faktisk kopierer klassiske optiske tilgange, elimineres stort set af sfæriske emittere, der er specifikke for akustik baseret på konkave piezokeramiske plader, som begyndte at blive brugt til medicinske formål så tidligt som i slutningen af ​​1960'erne [1 ] [18] [19] [20] [7] . Siden da er brugen af ​​konkave piezokeramiske plader som et udstrålende element blevet en almindelig måde at designe enkeltelementfokuserende ultralydsudsender på. Ud over de åbenlyse fordele i omkostninger og fremstillingsteknologi af sådanne radiatorer er de mere foretrukne, da retningen af ​​de piezoelektriske akser skabt af polarisering ved hvert punkt falder sammen med retningen mod krumningscentrum.

Metoder til beregning af akustiske felter og grundlæggende sammenhænge

En række udenlandske forskeres værker [21] [22] [23] er afsat til teorien om lydfokuseringssystemer . Bøgerne af prof. L. D. Rozenberg [1] [24] , såvel som hans elevers værker (I. N. Kanevsky, K. A. Naugolnykh, E. V. Romanenko, M. G. Sirotyuk). De fastlagde de kriterier, der tillader et rationelt valg af fokuseringssystemer, studerede brændområdets egenskaber, studerede strukturen af ​​det akustiske felt osv. I monografierne af L. D. Rozenberg [1] [24] og I. N. Kanevsky [ 25] Anvendelsen af ​​fokuserende ultralydsudsender i medicin og fysiologi er blevet diskuteret i en række bøger og anmeldelser [26] [7] [27] .

Til at beregne de akustiske felter i fokuseringssystemer, herunder sfæriske radiatorer, anvendes ofte en metode baseret på brugen af ​​Rayleigh-integralet [21] . Essensen af ​​denne metode er, at den udstrålende overflade betragtes som et sæt elementære emittere af uendelig lille størrelse, der udsender divergerende sfæriske bølger. Derefter bestemmes det samlede komplekse lydtryk af emitteren ved hvert punkt i feltet som summen af ​​bidragene fra hver elementær emitter. I beregninger er Rayleigh-integralet repræsenteret omtrent som summen af ​​bidrag fra individuelle elementer, der har en endelig størrelse. Som sådanne elementer vælges for eksempel små firkantede radiatorer [28] [29] eller elementer i form af ringe med lige areal [30] , som den udstrålende overflade er opdelt i. Som et resultat heraf kan den komplekse amplitude af det akustiske tryk af den fokuserende radiator, hvis overflade harmonisk svinger med en frekvens i henhold til loven , findes ifølge udtrykket [29] :

hvor  er den imaginære enhed,  er tætheden af ​​vævet,  er lydens hastighed i vævet,  er bølgetallet,  er den komplekse amplitude af den normale komponent af vibrationshastigheden på overfladen af ​​den i-te elementære radiator,  er arealet af denne radiator,  er dæmpningskoefficienten i vævet og  er afstanden fra midten af ​​den elementære radiator til det punkt, hvor marginen beregnes.

I nogle tilfælde kan Rayleigh-integralet bruges som en analytisk metode til at beregne de akustiske felter af emittere. En sådan analyse kan for eksempel udføres for en praktisk vigtig emitter, som i form er en del af en kugleformet skål, der ensartet svinger over tykkelsen [1] . De vigtigste geometriske karakteristika i dette tilfælde er blænderadius og brændvidde , såvel som skålens dybde og halvdelen af ​​åbningsvinklen, der afhænger af dem . For en sådan kilde giver Rayleigh-integralet et nøjagtigt udtryk for den komplekse amplitude af det akustiske tryk langs symmetriaksen [21] :

hvor  er den tværgående koordinat målt fra aksen,  er afstanden langs aksen fra radiatorens centrum,  er den karakteristiske amplitude af bølgen ved kilden,  er amplituden af ​​radiatorens overflades vibrationshastighed,  er afstanden fra observationspunktet til radiatorens kant. Heraf følger især udtrykket for amplifikationsfaktoren , hvor  er amplituden af ​​bølgen i fokus.

Undersøgelser af de akustiske felter af fokuserende emittere viser, at en næsten plan bølge passerer gennem fokalområdet inden for hoveddiffraktionsmaksimumet ved små vinkler . Når man beregner intensiteten af ​​lydfeltet i fokalområdet, anvendes derfor normalt forholdet for en plan bølge [1] [31] : . Fra ovenstående udtryk for trykamplituden følger følgende omtrentlige udtryk for den aksiale afhængighed af bølgeintensiteten i fokalområdet:

hvor ,  er intensiteten ved fokus, og  er den karakteristiske intensitet ved emitteroverfladen. Derudover udtrykkes den tværgående intensitetsprofil i brændplanet med en god tilnærmelse også

hvor  er Bessel-funktionen af ​​den første slags af den første orden. En sådan tværgående intensitetsfordeling, som har form af en cirkulær plet med diffraktionsringe, der omgiver den, er kendt i optik som Airy disk .

Den maksimale intensitet i centrum af brændområdet ved ikke særlig store vinkler ( <45°) kan udtrykkes i forhold til forholdet mellem kildeområdet og tværsnitsarealet af brændområdet [1]

Faktoren 3,7 indikerer, at intensiteten i centrum af brændpunktet er større end gennemsnitsintensiteten over hele brændplanet, og tager også højde for, at kun 84 % af den fokuserede energi passerer gennem brændpunktet, og 16 % falder til andelen af ​​sekundære maksima [1] . Ved ikke for små åbningsvinkler skal det tages i betragtning, at forstærkningsfaktoren for vibrationshastighed er noget forskellig fra forstærkningsfaktoren for tryk:

på grund af hvilken intensitetsforøgelsen også adskiller sig fra :

Ud fra de opnåede formler for intensitetsfordelingen følger vigtige simple sammenhænge for dimensionerne af fokalområdet: radius af fokalområdet og dets længde , hvor  er ultralydsbølgelængden. Begge disse parametre bestemmes ud fra intensitetsnullerne tættest på fokus. Som et eksempel, for en radiator med en resonansfrekvens på 1 MHz, med en radius og brændvidde på henholdsvis 42,5 og 70 mm og en åbningsvinkel på =75°, er diameteren og længden af ​​brændområdet 3 og 15 mm, og tryk- og intensitetsforstærkningerne er henholdsvis =60 og =3255 [7] .

De simple relationer, der er skrevet ovenfor, gør det muligt at bestemme dimensionerne af fokalområdet og gevinsterne ved enkeltelementsfokuserende radiatorer med en nøjagtighed, der er acceptabel til praktiske formål. I de fleste medicinske anvendelser af fokuseret ultralyd, når det bruges til aktivt at påvirke miljøet, anvendes emittere, hvor diameteren er omtrent lig med krumningsradius af den emitterende overflade, det vil sige, at vinklen er cirka 30 ° . I dette tilfælde er længden af ​​fokalområdet cirka 5-6 gange større end dens diameter. Hvis vinklen er mindre, så falder forholdet mellem diameteren af ​​brændområdet og dets længde og forværrer derved den lokale påvirkning af det bestrålede objekt [7] .

Når du bruger kilder med store bølgestørrelser, opstår spørgsmålet om anvendeligheden af ​​Rayleigh-integralet til at beregne felterne genereret af fokuserende radiatorer. Et andet problem er relateret til rollen af ​​antagelsen om den ensartede fordeling af vibrationshastigheden på overfladen af ​​de fokuserende radiatorer, da denne betingelse næsten aldrig er opfyldt, når der anvendes rigtige radiatorer lavet af piezokeramik. En række artikler [32] [33] [34] [35] [36] er viet til undersøgelsen af ​​disse spørgsmål . Kort fortalt kan resultaterne af disse undersøgelser formuleres som følger [36] . Det akustiske felt af konkave piezokeramiske kilder med store bølgestørrelser forudsiges forkert af en udbredt teoretisk model baseret på antagelsen om en ensartet hastighedsfordeling af den udstrålende overflade. Hovedårsagen til denne uoverensstemmelse mellem teori og eksperiment er den uhomogene karakter af oscillationshastigheden af ​​emitteroverfladen på grund af udseendet af Lammebølger ved kanten af ​​piezopladen . De forplanter sig fra kanten til midten af ​​pladen og fører til en ændring i oscillationshastighedsamplituden med mere end 10% (nogle gange meget mere) sammenlignet med amplituden af ​​tykkelsestilstanden af ​​piezopladeoscillationerne. Disse fejl er fraværende i tilfælde af piezokompositkilder.

Ikke desto mindre gør Rayleigh-integralet, på trods af dets omtrentlige karakter i tilfælde af en ikke-plan udstrålende overflade, det muligt med høj nøjagtighed at forudsige strålingen fra en konkav kilde med store bølgestørrelser og kan derfor bruges til at beregne felterne af fokuseringskilder ved moderate fokuseringsvinkler. Værdien af ​​diffraktionskorrektionen til Rayleigh-integralet kan beregnes på basis af en udviklet numerisk algoritme [34] [35] .

Mere vanskeligt for teoretisk analyse er tilfældet, når den fokuserede bølge har så høj en intensitet, at virkningerne af akustisk ikke-linearitet også begynder at vise sig. Ikke-lineære tilstande er typiske for mange moderne anvendelser af fokuseret ultralyd i terapi. Den ovenfor nævnte lineære forstærkningsfaktor for akustisk tryk kan nå flere tiere eller mere, hvilket fører til, at i nogle systemer med ultralydskirurgi og litotripsi når det maksimale akustiske tryk ved fokus flere tiere MPa, og intensiteten når niveauer op til 10000-30000 W/cm 2 [37] [38] . Ved så høje intensitetsniveauer begynder den akustiske bølge at ændre mediets egenskaber og udbreder sig derfor anderledes end lavamplitudebølger. Især begynder den oprindelige sinusformede profil at forvrænge, ​​og i en vis afstand kan bølgen endda blive stød [39] [40] [41] . I spektralsprog betyder en sådan forvrængning generering af højfrekvente harmoniske, som på den ene side absorberes mere intenst, og på den anden side er bedre fokuseret. På grund af dette, med en stigning i bølgeamplituden ved kilden, øges intensitetsforstærkningen først og begynder derefter at falde. Med en yderligere stigning i bølgeamplituden ved kilden ophører intensiteten ved fokus med at stige, det vil sige, at der forekommer mætning. Det maksimale trykmætningsniveau kan tilnærmelsesvis udtrykkes analytisk og har størrelsesordenen , hvor  er mediets akustiske ikke-linearitetsparameter [41] . Den specifikke vurdering af mætningsniveauet er noget anderledes i tilfælde af impulsive og harmoniske kilder [42] [43] . En mere nøjagtig analyse, som gør det muligt at forfine de analytiske estimater og beskrive alle fokuseringsfunktionerne (bølgeformsforvrængning, udseendet af stødfronter, forskellen i forstærkninger for positive og negative spidstryk osv.), kan udføres ved hjælp af numerisk simulering [44] .

Konstruktioner

Lad os give en beskrivelse af design af sfæriske fokuserende emittere udviklet i 1970-80'erne. ved det akustiske institut for videnskabsakademiet i USSR (AKIN) til brug i medicin og fysiologi [7] [27] . Som akkumuleret erfaring har vist, er essentiel og nogle gange afgørende betydning for medicinske anvendelser af fokuseret ultralyd brugen af ​​emittere (og generatorer, der fodrer dem) med de mindst mulige dimensioner og vægt i hvert enkelt tilfælde. Disse faktorer spiller en særlig vigtig rolle i den kliniske brug af fokuserende emittere.

Som et udstrålende element i fokustransducere blev der som regel brugt piezokeramiske plader, som var en del af en sfærisk skal i form. Korte tekniske karakteristika for typiske fokuserende radiatorer baseret på konkave piezokeramiske plader er som følger: pladediameter 20-85 mm; brændvidde 15-70 mm; vinkel 20-36°; resonansfrekvens i området 0,5-3 MHz; pladetykkelse 0,8-4 mm, afhængig af frekvensen; pladeareal 3-55 cm 2 ; diameteren af ​​fokusområdet er 1-6 mm, og dets længde er 5-23 mm, afhængigt af frekvensen. Den maksimale akustiske effekt på en plade med en diameter på 85 mm var 120 W i kontinuerlig tilstand og 800 W i pulserende tilstand. Vægten af ​​emitterne varierede fra 150 til 400 g, hvilket gjorde det muligt at bruge en mikromanipulator af et standard stereotaksisk apparat til deres kontrollerede bevægelse i tre indbyrdes vinkelrette retninger [7] [27] . Udskiftelige kegler i forskellige højder blev sat på radiatorernes krop, en tynd lydgennemsigtig polyethylenfilm blev strakt over hvis udløb. En aftagelig fokusmarkør var tilvejebragt, hvis spids var justeret med midten af ​​fokusområdet. Det indre volumen af ​​keglen mellem den piezokeramiske plade og filmen blev fyldt med afgasset vand.

I de fleste emittere var afstanden mellem keglesnittet og centrum af fokalområdet konstant og blev indstillet af eksperimentets betingelser. I en række designs af fokuserende radiatorer kunne denne afstand ændres inden for de krævede grænser ved hjælp af en mekanisk anordning monteret i radiatorhuset og flytte den piezokeramiske plade i forhold til udløbet af keglen [7] [27] .

I de tilfælde, hvor der krævedes emittere med en stor aktiv overflade, som var svære at fremstille ud fra en enkelt piezokeramisk plade, blev den såkaldte. "mosaik"-emittere, som er et sæt enkelte elementer limet til en metal (for eksempel aluminium) halvbølgeskal i form af en kugle [1] [7] .

Indtil midten af ​​1990'erne. som det materiale, hvorfra de aktive elementer i fokuserende radiatorer er lavet, blev der brugt forskellige modifikationer af piezokeramik, der fungerer godt til stråling (for eksempel bly zirconate-titanate , etc.). Imidlertid blev betydelige fordele ved at bruge piezokompositmaterialer til dette formål demonstreret [45] [33] [46] [47] [48] . Så et udbredt kompositmateriale med en type forbindelse 1-3 består af små stænger af bly-zirconat-titanat, placeret i en polymer med lav densitet. Volumenkoncentrationen af ​​piezokeramik er fra 20 til 70 % [49] , og den akustiske impedans er omtrent den samme brøkdel af bly-zirkonat-titanat-impedansen. Det menes, at dette materiale vil blive dominerende i udviklingen af ​​medicinske transducere i det 21. århundrede [50] Blandt dets fordele er ikke kun reduceret impedans, som giver mulighed for bedre matchning med væv, men også relativt svage materialevibrationer i den tværgående retning.

Her er parametrene for ekstrakorporale (det vil sige installeret uden for menneske- eller dyrekroppen) fokuserende emittere, der anvendes i forskellige udenlandske forskningscentre involveret i brugen af ​​fokuseret ultralyd i medicin. På Institute of Cancer Research, Royal Marsden Hospital, Sutton, UK Institute of Cancer ResearchRoyal Marsden Hospital, UK (Prof. G. ter Haar et al.) er den mest almindeligt anvendte fokuserende emitterprototype til klinisk brug [51] . Emitteren er lavet på basis af piezoelektrisk keramik med en grundfrekvens på 0,57 MHz; arbejde udføres ved den tredje harmoniske, det vil sige ved en frekvens på 1,7 MHz. Brændvidden er 150 mm; den samlede diameter er 100 mm, og den aktive del af pladen er 84 mm. Dimensionerne af fokusområdet på niveau med halvdelen af ​​den maksimale intensitet ved fokus er som følger: længde 19 mm, diameter 1,64 mm.

En gruppe franske forskere ( INSERM, Lyon, Frankrig ; Prof. Catignolle, Dr. Chaplon et al.) anvender en række forskellige sfæriske radiatorer, især radiatorer med en radius på 100 mm, en åbning på 100 mm, en frekvens på cirka 1 MHz, fremstillet både af piezokeramik ( P1-60, Quartz et Silice, Nemours, Frankrig ) og piezokomposit 1-3 ( Imasonic Besancon, Frankrig ) [33] .

I Therapeutic Ultrasound Lab på Harvard Medical School , Brigham and Women's Hospital , Boston, Boston, USA, anvendes også forskellige sfæriske emittere, især med en diameter på 100 mm, en brændvidde på 80 eller 100 mm og en frekvens på 1,5 MHz, designet til at ødelægge kræftsvulster under MRI -kontrol [30] .

I laboratoriet hos prof. Ch. Kane University of Michigan , USA brugte en fokuseringsemitter med en diameter på 63,5 mm og med samme brændvidde og med et hul til en diagnostisk sensor med en diameter på 13 mm [52] . Ultralydsfrekvensen var 1,44 MHz, og den maksimale elektriske effekt ved en afstemt belastning var 120 W, hvilket gjorde det muligt at opnå en spidsintensitet i fokalområdet på 2000 W/ cm2 .

I det sidste årti er fokussystemer udviklet i Kina af HAIFU Technology Company, Chongqing University of Medical Sciences blevet meget brugt i ultralydskirurgi ved hjælp af fokuseret ultralyd., Chongqing, Kina. De tekniske karakteristika for disse systemer baseret på en enkelt element transducer er som følger: frekvens fra 0,8 til 2,4 MHz, blænde 12-15 cm, brændvidde varierer fra 9 til 15 cm ved brug af seks udskiftelige aluminiumslinser, spidsintensitet ved fokus , målt i vand under betingelser frit felt i området fra 5 til 15 kW/cm2 [ 53] . I midten af ​​emitteren var der et hul til at placere en diagnostisk transducer til visualisering af tumorer og overvågning af den kirurgiske operation i realtid.

Sammen med ekstrakorporale emittere har intrakavitære fokuseringssystemer beregnet til kirurgisk behandling af prostata også fundet klinisk anvendelse. Ultralydsmetoden til dette formål er baseret på brugen af ​​en transrektalt indsat enkelt-element fokuseringstransducer med en fast brændvidde, mekanisk bevæget parallelt med rektalvæggen. Den største succes i udviklingen og den kliniske anvendelse af denne metode er nu opnået af to forskergrupper - i USA og Frankrig. Den første af dem ( Focal Surgery Inc., Milpitas, Californien, USA ) udviklede Sonablate- anordningen [54] til ødelæggelse af prostatavæv ved hjælp af flere udskiftelige, mekanisk bevægede op til 45 mm, enkeltelement-emittere med en frekvens på 4 MHz og med forskellige brændvidder (30, 35 og 40 mm). Den anden gruppe ( TechnoMed, Frankrig ) skabte Ablatherm -enheden , hvor en enkelt-element-fokuserende radiator med en diameter på 35 mm havde en brændvidde på 35 mm og blev exciteret ved en frekvens på 2,25 MHz [55] .

I medicinske anvendelser af fokuseret ultralyd er designs af fokuserende emittere med et hul på aksen blevet mere og mere brugt til at installere enhedens sensor til ultralydsbilleddannelse af mediet i den. Konsekvensen af ​​dette er et fald i den maksimale intensitet ved fokus, samt en vis indsnævring af områdets bredde på niveau med halvdelen af ​​den maksimale intensitet og en forlængelse af samme område i retning af den akustiske akse. Disse spørgsmål diskuteres på et kvantitativt niveau, for eksempel i [23] [56] .

Ansøgninger

Det vigtigste anvendelsesområde for fokusering af ultralydsudsendere er medicin. Hundredvis af artikler og adskillige bøger er blevet viet til de medicinske anvendelser af fokuseret ultralyd [4] [2] [7] [13] [27] , se også High Intensity Focused Ultrasound in Medicine .

Selvom ultralyd med høj intensitet er meget udbredt i industrien, primært til ultralydsrensning [57] [58] [59] , bruges fokuseringsradiatorer sjældent i industrien, sandsynligvis fordi det i dette tilfælde sjældent er nødvendigt at lokalt påvirke en lille volumen, på forhånd et bestemt område af miljøet. Imidlertid har fokuserende emittere fundet nyttige anvendelser til at sprøjte væsker, befugte luften og skabe aerosoler [59] [60] . Fokuserende ultralydsudsendere med meget lavere intensitet bruges i lydsyn, medicinsk diagnostik og ultralyds ikke-destruktiv testning af materialer [12] for at øge lydtrykket og forbedre tværgående opløsning.

Fordele og ulemper

En væsentlig fordel ved enkeltelement-fokuserende transducere med en overflade i form af en del af en sfærisk skal er den relative enkelhed af deres design, fremstilling og praktiske anvendelse. En væsentlig ulempe ved sådanne fokuseringssystemer er imidlertid deres faste brændvidde. Da volumenet af emitterens brændområde sædvanligvis er meget mindre end volumenet af mediet, der kræves for at blive påvirket, skal der tilvejebringes midler til bekvem mekanisk bevægelse af emitteren i forhold til objektet. Til dette formål kan der anvendes moderne automatiserede mekaniske systemer (positioneringsanordninger). Men selv her er der vanskeligheder. Hvis størrelsen af ​​området med ultralyd påvirkning er stor nok, så er brugen af ​​radiatorer med en fast brændvidde ikke altid det bedste valg, selvom automatiserede mekaniske systemer bruges til at flytte dem. Betydeligt bredere muligheder her har naturligvis ultralydsfasede arrays [2] .

Noter

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Rosenberg, L. D. Fokusering af ultralydsudsendere // I bogen: Physics and Technology of Powerful Ultrasound / Red. L. D. Rozenberg. Bestil. 1. Kilder til kraftig ultralyd. - M .: Nauka, 1967. - C. 149-206.
  2. 1 2 3 4 Gavrilov, L.R. Fokuseret højintensiv ultralyd i medicin. - M.: Fazis, 2013. -656 s. — ISBN 978-5-7036-0131-2
  3. Burov, A. K. At opnå høj intensitet af ultralyd i en væske // Akustisk journal. - 1958. - V. 4, nr. 4. - S. 315-320.
  4. 1 2 3 4 Ultralyd i medicin. Fysiske anvendelsesgrundlag Ed. K. Hill, J. Bamber, G. ter Haar. Per fra engelsk. udg. L. R. Gavrilova, V. A. Khokhlova, O. A. Sapozhnikova. — M.: Fizmatlit, 2008, 544 s., s.67.
  5. Greutzmacher, J. Piezoelektrishe Kristall mit Ultrashall konvergenz // Zh. Phys. -1935. - V. 96. - 342.
  6. Lynn, YG, Zwemer, RL, Chick, AJ, Miller, AE En ny metode til generering og brug af fokuseret ultralyd i eksperimentel biologi // Journ. Gener. physiol. - 1942. -V. 26. - S. 179-193.
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Gavrilov, L. R., Tsirulnikov, E. M. Fokuseret ultralyd i fysiologi og medicin. - L .: Nauka, 1980. - 199 s.
  8. Fry, FJ Precision højintensitetsfokuserende ultralydsmaskiner til kirurgi // Amer. J Phys. Med. - 1958. - V. 37, nr. 3. - S. 152-156.
  9. 1 2 3 Aström, K. E., Bell, E., Ballantine, N. T., Heidensleben, E. En eksperimentel neuropatologisk undersøgelse af virkningerne af højfrekvent fokuseret ultralyd på kattens hjerne // J. neuropathol. Exp. Neurol. - 1961. - V. 20, nr. 4. - S. 484-520.
  10. Lele, PP Produktion af dybe fokale læsioner ved fokuseret ultralyd - aktuel status // Ultralyd. - 1967. - V. 5. - S. 105-112.
  11. Fry, FJ, Ades, HW, Fry WJ Produktion af reversible ændringer i centralnervesystemet ved ultralyd // Videnskab. - 1958. - V. 127, nr. 3289. - S. 83-84.
  12. 1 2 Szabo, TL Diagnostisk ultralydsbilleddannelse: indefra og ud. 2. Udgave. — Oxford, Storbritannien, Academic Press (Elsevier), 2014. — s. 130.
  13. 1 2 3 4 Bailey, M. R., Khokhlova, V. A., Sapozhnikov, O. A., Kargl, S. G., Cram L. A. Fysiske mekanismer for effekten af ​​terapeutisk ultralyd på biologisk væv (Review) / / "Acoustic Journal" - 2003. - T. , nr. 4. - C. 437-464.
  14. 1 2 3 Leighton, TG, Cleveland, RO Lithotripsy // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. -2010. -V. 224, nr. 2. - S. 317-342.
  15. Naugolnykh, K. A., Roy, N. A. Elektriske udladninger i vand. — M.: Nauka. - 1971. - 155 s.
  16. Rassweiler, J., Henkel, TO, Kohrmann, KU, Potempa, D., Junemann, KP, Alken, P. Lithotripter-teknologi: nutid og fremtid // Journal of Endourology. - 1992. - V. 6, nr. 1. -P. 1-13.
  17. Sinelnikov, E. D., Field, T., Sapozhnikov, O. A. Mønstre for dannelsen af ​​en termisk destruktionszone ved behandling af atrieflimren ved kateter-ultralydsablation // Acoustic Journal. - 2009. - T. 55, nr. 4-5. - S. 641-652.
  18. Warwick, R., Pond, J. Sporløse læsioner i nervevæv produceret af højintensitetsfokuseret ultralyd (højfrekvente mekaniske bølger) // J. Anat. - 1968. - V. 102, nr. 3. - S. 387-405.
  19. Fry, FJ, Heimburger, RF, Gibbons, LV, Eggleton RC Ultralyd til visualisering og modifikation af hjernevæv // IEEE Trans. om Sonics og Ultrasonics. - 1970. - V. SU-17, nr. 3. - S. 165-169.
  20. Avirom, V. M., Adrianov, O. S., Vykhodtseva, N. I., Gavrilov, L. R., Mering, T. A., Sirotyuk, M. G. Ødelæggelse af dybe hjernestrukturer ved hjælp af fokuseret ultralyd // Journal. højere nervøs aktivitet - 1971. - V. 21, nr. 5. - S. 1110-1113.
  21. 1 2 3 O'Neil, H. T. Theory of focusing radiatorer // J. Acoust. soc. Er. - 1949. -V. 21, nr. 5. - P. 516-526.
  22. Kossoff, G. Analyse af fokuseringsvirkning af sfærisk buede transducere // Ultrasound in Med. og Biol. - 1979. - V. 5, nr. 4. - S. 359-365.
  23. 1 2 Clarke, RL Ændring af intensitetsfordeling fra ultralydskilder med stor blænde // Ultrasound in Med. og Biol. - 1995. - V. 21, nr. 3. - P. 353-363
  24. 1 2 Rosenberg, L. D. Lydfokuseringssystemer. — M.: AN SSSR, 1949. — 112 s.
  25. Kanevsky, I. N. Fokusering af lyd og ultralydsbølger. — M.: Nauka, 1977. — 336 s.
  26. Fry, FJ Intens fokuseret ultralyd: dens produktion, virkninger og udnyttelse // I: Ultralyd: dens anvendelser i medicin og biologi / FJ Fry ed. New York: Elsevier, 1978. Pt. 2. - P. 689-736.
  27. 1 2 3 4 5 Vartanyan, I. A., Gavrilov, L. R., Gershuni, G. V., Rosenblum, A. S., Tsirulnikov, E. M. Sensorisk perception. Forskningserfaring ved hjælp af fokuseret ultralyd. - L .: Nauka, 1985. - 189 s.
  28. Ocheltree, K., Frizzell, L. Lydfeltberegninger for rektangulære kilder // IEEE Trans. ultrason. Ferroelektrisk. frekv. Ctrl. - 1989. - V. 36, nr. 2. - S. 242-248.
  29. 1 2 Goss SA, Frizell LA, Kouzmanoff JT, Barich JM, Yang JM Sparse random ultrasound phased array for focal surgery // IEEE Trans. ultras. Ferroelektrisk. frekv. Ctrl. 1996. V. 43. Nr. 6. P. 1111-1121.
  30. 1 2 Cline, HE, Hynynen, K., Watkins, RD, Adams, WJ, Schenck, JF, Ettinger, RH, Freund, WR, Vetro, JP, Jolesz, FA Fokuseret amerikansk system til MR-billeddannelsesstyret tumorablation / / Radiologi. - 1995. - V. 194, nr. 3. - P. 731-737.
  31. Bergmann, L. Der Ultraschall und seine Anwendung in Wissenschaft und Technik / Zürich, 1954. (Oversat til russisk: Bergman L. Ultrasound and its application in science and technology / M .: IL. 1956. - 726 s.)
  32. Cathignol, D., Sapozhnikov, OA, Zhang, J. Lammebølger i piezoelektrisk fokuseret radiator som en årsag til uoverensstemmelse mellem O'Neils formel og eksperiment // J. Acoust. soc. Er. - 1997. - V. 101, nr. 3. - P. 1286-1297.
  33. 1 2 3 Cathignol, D., Sapozhnikov, OA, Theillere, Y. Sammenligning af akustiske felter udstrålet fra piezokeramisk og piezokomposit fokuseret radiator // J. Acoust. soc. Er. - 1999. - V. 105, nr. 5. - P. 2612-2617.
  34. 1 2 Katignol, D., Sapozhnikov, O. A. Om anvendeligheden af ​​Rayleigh-integralet til beregning af feltet af en konkav fokuserende radiator // Acoustic Journal - 1999. - V. 45, nr. 6. - S. 816- 824.
  35. 1 2 Sapozhnikov, O. A., Sinilo, T. V. Akustisk felt af en konkav udstrålende overflade med mulighed for diffraktion på den // Akustisk journal. - 2002. - T. 48, nr. 6. - S. 813-821.
  36. 1 2 Sapozhnikov, O. A. Kraftige ultralydsstråler: diagnostik af kilder, selvvirkning af chokbølger og indflydelse på mediet under litotripsi. Dis.: Dr. Fysisk.-Matematik. n. - M. 2008. -296 s.
  37. Wu, F., Wang, ZB, Chen, WZ, Zou, JZ, Bai, J., Zhu, H., Li, KQ, Xie, FL, Jin, CB, Su, HB og Gao, GW Ekstrakorporal fokuseret ultralydskirurgi til behandling af humane solide karcinomer: tidlig kinesisk klinisk erfaring // Ultrasound Med. Biol. - 2004.-V. 30, nr. 2. -P. 245-260.
  38. Kreider, W., Yuldashev, PV, Sapozhnikov, OA, Farr, N., Partanen, A., Bailey, MR, Khokhlova, VA Karakterisering af et multi-element klinisk HIFU-system ved hjælp af akustisk holografi og ikke-lineær modellering // IEEE Transactions om ultralyd, ferroelektrik og frekvensstyring. −2013. -V. 60, nr. 8. - P. 1683-1698.
  39. Zarembo, L. K., Krasilnikov, V. A. Introduktion til ikke-lineær akustik (lyd- og ultralydsbølger med høj intensitet). - M .: Nauka, 1966, - 519 s.
  40. Rudenko, O. V., Soluyan, S. I. Teoretisk grundlag for ikke-lineær akustik. — M.: Nauka, 1975. — 287 s.
  41. 1 2 Sapozhnikov, OA Højintensive ultralydsbølger i væsker: Ikke-lineær udbredelse og effekter. / I: Power Ultrasonics. Anvendelser af højintensiv ultralyd, red. af Gallego-Juarez, JA, og Graff, KF Kapitel II. Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, nr. 66. - Cambridge: Elsevier, 2015. - S. 9-35.
  42. Bacon, DR Endelig amplitudeforvrængning af de pulserede felter, der anvendes i diagnostisk ultralyd // Ultrasound Med. Biol. -1984. - V. 10, nr. 2. -P. 189-195.
  43. Rudenko, O. V., Sapozhnikov, O. A. Selvvirkende fænomener af bølgestråler indeholdende stødfronter // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 2004. - T. 174, nr. 9. -S. 973-989.
  44. Karzova, M. M., Averyanov, M. V., Sapozhnikov, O. A., Khokhlova, V. A. Mekanismer for mætning af ikke-lineære pulserede og periodiske signaler i fokuserede akustiske stråler // Acoustic Journal. - 2012. -T. 58, nr. 1. - S. 93-102.
  45. Kluiwstra, JU, McGough, RJ, Cain, CA Terapeutiske ultralydsfasede arrays: praktiske overvejelser og designstrategier // IEEE Ultrason. Symp. Proc. - 1996. - S. 1277-1280.
  46. Chapelon, JY, Cathignol, D., Cain, C., Ebbini, E., Kluiwstra, JU, Sapozhnikov, OA, Fleury, G., Berriet, R., Chupin, L., Guey, JL Nye piezoelektriske transducere til terapeutisk ultralyd // Ultralyd i Med. & biol. - 2000. - V. 26, nr. 1. - S. 153-159.
  47. Fleury, G., Berriet, R., Le Baron, O., Huguenin, B. Nye piezokomposittransducere til terapeutisk ultralyd / 2nd International Symposium on Therapeutic Ultrasound. Seattle - 31/07 - 02/08/2002.
  48. Cathignol, D. Højintensitets piezoelektriske kilder til medicinske anvendelser: tekniske aspekter // I ikke-lineær akustik i begyndelsen af ​​det 21. århundrede / Ed. af Rudenko OV og Sapozhnikov OA (Proc. of 16th ISNA, Moscow, 2002). - 2002. - V. 1. - R. 371-378.
  49. Shung, KK, Zipparo, M. Ultralydstransducere og arrays // IEEE Engineering in Med. og Biol. — 1996. Nov/Dec. — S. 20-30.
  50. Foster, F.S. Transducermaterialer og probekonstruktion // Ultrasound in Med. og Biol. 2000. - V. 26, Suppl. 1. - P. S2-S5.
  51. Rivens, IH, Clarke, RL, ter Haar, GR Design af fokuserede ultralydskirurgitransducere // IEEE Trans. ultrason. Ferroelektrisk. frekv. Ctrl. - 1996. - V.43, nr. 6. - P. 1023-1031.
  52. Kluiwstra, J.-UA, Tokano, T., Davis, J., Strickberger, SA, Cain, CA Realtidsbilledstyret højintensitetsfokuseret ultralyd til myokardieablation: In vivo undersøgelse / In Proc. IEEE Ultrason. Symp. - 1997. - S. 1327-1330.
  53. Kennedy, JE, Wu, F., ter Haar, GR, Gleeson, FV, Phillips, RR, Middleton, MR, Cranston, D. Højintensiv fokuseret ultralyd til behandling af levertumorer // Ultralyd. - 2004. - V. 42, nr. 1-9. - S. 931-935.
  54. Foster, RS, Bihrle, R., Sanghvi, NT, Fry, FJ, Donohue, JP Højintensiv fokuseret ultralyd i behandlingen af ​​prostatasygdom // Eur. Urol. - 1993. - V. 23, Suppl. 1. - S. 29-33.
  55. Gelet, A., Chapelon, JY, Margomari, J., Theillere, Y., Gorry, F., Souchon, R., Bouvier, R. Højintensiv fokuseret ultralydseksperiment på human benign prostatahypertrofi // Eur. Urol. - 1993. - V. 23, Suppl. 1. - S. 44-47.
  56. Beissner, K. Nogle grundlæggende relationer for ultralydsfelter fra cirkulære transducere med et centralt hul // J. Acoust. soc. Er. - 2012. - V. 131, nr. 1. - P. 620-627.
  57. Fysik og teknologi af højeffekt ultralyd / Ed. L. D. Rozenberg. Bestil. 3. Fysisk grundlag for ultralydsteknologi. — M.: Nauka, 1970. — 682 s.
  58. Harvey, G., Gachagan, A., Mutasa, T. Gennemgang af højeffekt ultralyd - industrielle applikationer og målemetoder // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. - 2014. - V. 61, nr. 3. - S. 481-495.
  59. 12 Power Ultrasonics . Anvendelser af højintensiv ultralyd, red. af Gallego-Juarez, JA, og Graff, KF Cambridge: Elsevier, Woodhead Publishing. - 2015. - 1167 s., ISBN 978-1-78242-028-6
  60. Akopyan, V. B., Ershov, Yu. A. Grundlæggende om interaktionen mellem ultralyd og biologiske objekter / M .: MSTU im. N. E. Bauman, 2005. - 223 s.

Litteratur

Se også

Links