Влияние размеров центрального отверстия в мощных фокусированных излучателях на параметры нелинейного ультразвукового поля в фокусе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Ряд новых технологий неинвазивной хирургии с помощью высокоинтенсивного фокусированного ультразвука основан на использовании нелинейных акустических эффектов, приводящих к искажению профиля волны при ее распространении от излучателя и образованию ударных фронтов в фокусе. При этом большое число излучателей, создающих мощный ультразвуковой пучок, имеют близкую к аксиально-симметричной форму и круглое отверстие в центре для размещения диагностического датчика с целью визуализации воздействия. Для предсказания параметров поля в фокусе излучателей такой геометрии удобна модель эквивалентного источника в виде сферического сегмента, нелинейные эффекты в поле которого хорошо изучены. Параметры эквивалентного источника (диаметр, фокусное расстояние и амплитуда) подбираются таким образом, чтобы максимально точно аппроксимировать фокальную область поля исходного излучателя вдоль оси пучка. В работе на примере типичного фокусирующего излучателя терапевтического ультразвука с частотой 1 МГц и F# = 0.9 исследовалось влияние размеров центрального отверстия на характеристики нелинейного поля в фокусе и возможность применения модели эквивалентного источника. Показано, что размер центрального отверстия существенно влияет на проявление нелинейных эффектов в фокальной области, а модель эквивалентного источника может быть применима лишь в случае диаметра отверстия менее 20% от диаметра излучателя.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ф. А. Нартов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: nartov.fyodor@gmail.com

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

М. М. Карзова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: nartov.fyodor@gmail.com

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

В. А. Хохлова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: nartov.fyodor@gmail.com

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

Список литературы

  1. Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. М.: Фазис, 2013.
  2. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 4. С. 437–464.
  3. Xu Z., Khokhlova T.D., Cho C.S., Khokhlova V.A. Histotripsy: a method for mechanical tissue ablation with ultrasound // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2024. V. 26. P. 141–167.
  4. Williams R.P., Simon J.C., Khokhlova V.A., Sapozhnikov O.A., Khokhlova T.D. The histotripsy spectrum: differences and similarities in techniques and instrumentation // Int. J. of Hyperthermia. 2023. V. 40. № 1. P. 1–19.
  5. Kim Y.S., Keserci B., Partanen A., Rhim H., Lim H.K., Park M.J., Köhler M.O. Volumetric MR-HIFU ablation of uterine fibroids: role of treatment cell size in the improvement of energy efficiency // Eur. J. Radiol. 2012. V. 81 № 11. P. 3652–3659.
  6. Ramaekers P., De Greef M., Van Breugel J.M.M., Moonen C.T.W., Ries M. Increasing the HIFU ablation rate through an MRI-guided sonication strategy using shock waves: feasibility in the in vivo porcine liver // Phys. Med. Biol. 2016. V. 61. P. 1057–1077.
  7. Kennedy J., Wu F., Ter Haar G., Gleeson F., Phillips R., Middleton M. and Cranston D. // Ultrasonics. 2004. V. 42. P. 931–935.
  8. Андрияхина Ю.С., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Ускорение тепловой абляции объемов биологической ткани с использованием фокусированных ультразвуковых пучков с ударными фронтами // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 2. С. 147–157.
  9. Пестова П.А., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Использование фокусированных ударно-волновых пучков для подавления эффектов диффузии при объемной тепловой абляции биоткани // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 4. С. 417–429.
  10. Canney M.S., Khokhlova V.A., Bessonova O.V., Bailey M.R., Crum L.A. Shock-induced heating and millisecond boiling in gels and tissue due to high intensity focused ultrasound // Ultrasound Med. Biol. 2010. V. 36. № 2. P. 250–267.
  11. Bawiec C.R., Khokhlova T.D., Sapozhnikov O.A., Rosnitskiy P.B., Cunitz B.W., Ghanem M.A., Hunter C., Kreider W., Schade G.R., Yuldashev P.V., Khokhlova V.A. A prototype therapy system for boiling histotripsy in abdominal targets based on a 256-element spiral array // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2021. V. 68. № 5. P. 1496–1510.
  12. Bobkova S., Gavrilov L., Khokhlova V., Shaw A., Hand J. Focusing of high-intensity ultrasound through the rib cage using a therapeutic random phased array // Ultrasound Med. Biol. 2010. V. 36. № 6. P. 888–906.
  13. Karzova M.M., Kreider W., Partanen A., Khokhlova T.D., Sapozhnikov O.A., Yuldashev P.V., Khokhlova V.A. Comparative characterization of nonlinear ultrasound fields generated by Sonalleve V1 and V2 MR-HIFU systems // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2023. V. 70. № 6. P. 521–537.
  14. Khokhlova T.D., Schade G.R., Wang Y.N., Buravkov S.V., Chernikov V.P., Simon J.C., Starr F., Maxwell A.D., Bailey M.R., Kreider W., Khokhlova V.A. Pilot in vivo studies on transcutaneous boiling histotripsy in porcine liver and kidney // Scientific reports. 2019. V. 9. P. 20176.
  15. Tsysar S.A., Rosnitskiy P.B., Asfandiyarov S.A., Petrosyan S.A., Khokhlova V.A., Sapozhnikov O.A. Phase correction of the channels of a fully populated randomized multielement therapeutic array using the acoustic holography method // Acoust. Phys. 2024. V. 70. № 1. P. 82–89.
  16. Maxwell A.D., Yuldashev P.V., Kreider W., Khokhlova T.D., Schade G.R., Hall T.L., Sapozhnikov O.A., Bailey M.R., Khokhlova V.A. A prototype therapy system for transcutaneous application of boiling histotripsy // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2017. V. 64. № 10. P. 1542–1557.
  17. Rosnitskiy P.B., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A., Maxwell A.D., Kreider W., Bailey M.R., Khokhlova V.A. Design of HIFU transducers for generating specified nonlinear ultrasound fields // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2017. V. 64. № 2. P. 374–390.
  18. Canney M.S., Bailey M.R., Crum L.A., Khokhlova V.A., Sapozhnikov O.A. Acoustic characterization of high intensity focused ultrasound fields: A combined measurement and modeling approach // J. Acoust. Soc. Amer. 2008. № 4. P. 2406–2420.
  19. Sapozhnikov O.A., Tsysar S.A., Khokhlova V.A., Kreider W. Acoustic holography as a metrological tool for characterizing medical ultrasound sources and fields // J. Acoust. Soc. Amer. 2015. V. 138. № 3. P. 1515–1532.
  20. Kreider W., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A., Farr N., Partanen A., Bailey M.R., Khokhlova V.A. Characterization of a multi-element clinical HIFU system using acoustic holography and nonlinear modeling // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2013. V. 60. № 8. P. 1683–1698.
  21. Karzova M.M., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A., Khokhlova V.A., Cunitz B.W., Kreider W., Bailey M.R. Shock formation and nonlinear saturation effects in the ultrasound field of a diagnostic curvilinear probe // J. Acoust. Soc. Am. 2017. V. 141. № 4. P. 2327–2337.
  22. Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Моделирование трехмерных нелинейных полей ультразвуковых терапевтических решеток // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 3. С. 337−347.
  23. Gu J., Jing Y., Modeling of wave propagation for medical ultrasound: A review // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2015. V. 62. № 11. P. 1979–1993.
  24. Soneson J.E. A user-friendly software package for HIFU simulation // Proc. AIP Conf. 2009. V. 1113. № 1. P. 165–169.
  25. Yuldashev P.V., Karzova M.M., Kreider W., Rosnitskiy P.B., Sapozhnikov O.A., Khokhlova V.A. “HIFU beam”: a simulator for predicting axially symmetric nonlinear acoustic fields generated by focused transducers in a layered medium // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2021. V. 68. № 9. P. 2837–2852.
  26. Росницкий П.Б., Юлдашев П.В., Высоканов Б.А., Хохлова В.А. Граничное условие для расчета полей сильно фокусирующих излучателей на основе уравнения Хохлова–Заболотской // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 2. С. 153–162.
  27. Ponomarchuk E.M., Yuldashev P.V., Nikolaev D.A., Tsysar S.A., Mironova A.A., Khokhlova V.A. Nonlinear ultrasound fields generated by an annular array with electronic and geometric adjustment of its focusing angle // Acoust. Phys. 2023. V. 69. № 4. P. 459–470.
  28. Rosnitskiy P.B., Tsysar S.A., Karzova M.M., Buravkov S.V., Malkov P.G., Danilova N.V., Ponomarchuk E.M., Sapozhnikov O.A., Khokhlova T.D., Schade G.R., Maxwell A.D., Wang Y.N., Kadrev A.V., Chernyaev A.L., Okhobotov D.A., Kamalov A.A., Khokhlova V.A. Pilot ex vivo study on non-thermal ablation of human prostate adenocarcinoma tissue using boiling histotripsy // Ultrasonics. 2023. V. 133. 107029.
  29. Khokhlova T., Rosnitskiy P., Hunter C., Maxwell A., Kreider W., ter Haar G., Costa M., Sapozhnikov O., Khokhlova V. Dependence of inertial cavitation induced by high intensity focused ultrasound on transducer F-number and nonlinear waveform distortion // J. Acoust. Soc. Am. 2018. V. 144. № 3. P. 1160–1169.
  30. O’Neil H.T. Theory of focusing radiators // J. Acoust. Soc. Am. 1949. V. 21. № 5. P. 516–526.
  31. Beissner K. Some basic relations for ultrasonic fields from circular transducers with a central hole // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 131. № 1. P. 620–627.
  32. Beissner K. On the lateral resolution of focused ultrasonic fields from spherically curved transducers // J. Acoust. Soc. Am. 2013. V. 134. № 5. P. 3943–3947.
  33. Ultrasonics-Field Characterization-In Situ Exposure Estimation in Finite-Amplitude Ultrasonic Beams, document IEC/TS 61949. 2007.
  34. Росницкий П.Б., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Влияние угловой апертуры медицинских ультразвуковых излучателей на параметры нелинейного ударно-волнового поля в фокусе // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 3. С. 325–332.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) — Модель сферического излучателя с F# = 0.9 (вид сбоку); модели сферических излучателей с различными размерами центральных отверстий (фронтальный вид): (б) — 0, (в) — 40, (г) — 70 мм.

Скачать (562KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределения нормированной амплитуды давления вдоль акустической оси в линейном пучке для излучателя с центральным отверстием диаметром 40 мм: черный — исходный излучатель, красный — эквивалентный источник.

Скачать (375KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределения нормированных амплитуд давлений в аксиальной плоскости в области фокуса в линейном режиме распространения для излучателей с различными центральными отверстиями и эквивалентных им источников. (а) — Излучатель без отверстия; верхний ряд (б, г) — поля исходных излучателей, нижний ряд (в, д) — эквивалентных им источников. Диаметры отверстий: (а) — 0, (б, в) — 40, (г, д) — 70 мм.

Скачать (986KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кривые насыщения: зависимости пикового положительного и отрицательного давлений (сплошные линии) и амплитуда ударных фронтов (пунктир) от мощности излучателя для различных размеров отверстия: красный — 0, синий — 40, черный — 70 мм. Точки на кривых соответствуют условиям формирования развитого разрыва в фокальном профиле волны. Штриховыми линиями показаны соответствующие зависимости амплитуды волны в фокусе в линейном пучке.

Скачать (596KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Один период профиля волны в фокусе для излучателей с различным размером отверстия: красный — 0, синий — 40, черный — 70 мм, и различных режимов фокусировки: (а) — в квазилинейном режиме (10% энергии волны в высших гармониках); (б) — в режиме образования развитого разрыва (когда нижняя граница ударного фронта соответствует нулевому давлению, Ash = p+); (в) — в режиме насыщения.

Скачать (750KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределения пиковых положительных (верхний ряд) и отрицательных (нижний ряд) давлений в плоскости оси пучка при образовании развитого разрыва (Ash = p+) для различных диаметров отверстия: левый столбец — 0, средний столбец — 40, правый столбец — 70 мм.

Скачать (1MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение характеристик ультразвуковых полей для излучателей с центральным отверстием (фиолетовые кривые) и для эквивалентных излучателей (зеленые кривые) для различных диаметров отверстия: (а, г, ж) — 10, (б, д, з) — 40 и (в, е, и) — 70 мм. Верхний ряд — аксиальные распределения нормированных амплитуд давлений в линейном пучке. Средний ряд — поперечные распределения нормированных амплитуд давлений в фокальной плоскости линейного пучка. Нижний ряд — кривые насыщения пиковых положительного и отрицательного давлений в фокусе; точки на кривых соответствуют формированию развитого разрыва в фокальном профиле волны.

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости пиковых положительных и отрицательных давлений в фокусе от диаметра центрального отверстия для исходных излучателей (синие кривые) и для соответствующих эквивалентных излучателей (красные кривые) для различных режимов фокусировки: (а) — в квазилинейном режиме; (б) — в режиме образования развитого разрыва; (в) — в режиме насыщения (амплитуда разрыва показана пунктиром).

Скачать (746KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025