Фокусировка мощного ультразвука через грудную клетку с использованием двумерной фазированной решетки (1105112), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

2). При заданном расположении элементови при заданном наборе фокусов в пространстве, расчет поля решетки условноразделялся на три этапа: расчет поля одиночного элемента решетки с помощьюинтеграла Рэлея (2), определение оптимального набора фаз с последующимвыравниванием абсолютных значений амплитуд на элементах и нахождениеполя решетки путем суммирования полей всех элементов с найденнымамплитудно-фазовым распределением.Дляминимизациивоздействияультразвука на ребра и поддержания высокихзначенийинтенсивностейводиночномфокусе или в нескольких фокусах былпредложенследующийгеометрическийподход. Для каждого из выбранных фокусовпроводилисьлучи,соединяющиеточкуРис. 2.

Схематическое расположениеэлементов на поверхности решеткифокуса с центром каждого из элементоврешетки. Если луч пересекал ребро, элемент отключался. Если луч проходилмежду ребрами, значение колебательной скорости на элементе оставалосьпрежним.Результаты моделирования поля решетки показали, что потери мощностина ребрах при частичном отключении элементов решетки составляют 25% отвсей излученной мощности. При этом в фокальной плоскости пучка,создаваемого как идеальным излучателем, так и решеткой, происходилорасщеплениефокуса.Помимоосновногодифракционногомаксимуманаблюдалось два побочных, уровень интенсивности в которых составлялпримерно 50% от пиковой интенсивности основного максимума.14В § 2.4 эффект расщепления основного фокуса, возникающий прираспространении фокусированного ультразвука через ребра, исследовалсятеоретически.

Было показано, что механизм этого эффекта обусловленинтерференцией волн от двух и более пространственно разделенныхисточников,которымиявляютсямежреберныепромежутки.Полученоаналитическое решение, позволяющее проанализировать структуру поля зарёбрами и параметры расщепления, то есть число фокусов, их диаметр ирасстояние между ними с учетом размеров грудной клетки, положения реберотносительно излучателя и параметров преобразователя.В частности,показано, что количество вторичных максимумов в фокальной плоскостизависит только от отношения ширины межреберного промежутка a к периодучередования ребер h. Если межреберное пространство занимает половинупериода чередования ребер, будет наблюдаться триада фокусов – основнойфокус и два побочных максимума интенсивности, если одну треть – то 5максимумов, а если две трети периода - только один основной максимум.I, Вт/см232.5 ×10На рис. 3 для примера показаныраспределения интенсивности в фокальной2.0плоскости,рассчитанныедлярешетки,1.5поршневого излучателя и сопоставленные с1.0аналитическим решением для случая, когда0.5ширина ребра примерно равна ширинемежреберного0-10-50y, мм510Рис.

3. Распределения интенсивностив фокальной плоскости при наличииребер для решетки (•••), поршневогоизлучателя (▬) и аналитическогорешения (─).промежутка.Видно,чтоаналитическое решение хорошо описываетполяреальныхпреобразователейприналичии ребер.Полученное аналитическое решениетакже позволяет определить наилучший способ направления оси излучателяпри любой заданной геометрии костей и при известных параметрах излучателя.Показано, что максимум интенсивности в фокусе достигается, когда площадь15пучка, перекрываемая ребрами, минимальна. Для выполнения этого условияможет быть целесообразным направлять ось излучателя не только черезмежреберный промежуток, что представляется наиболее естественным, но ичерез ребро.Втретьейглавепредлагаетсяэкспрессныйметодизмеренияакустических полей, основанный на использовании ИК-камеры и тонкойпленки из поглощающего ультразвук материала.В § 3.1 приводится описание схемы экспериментальной установки дляизмеренияпространственныхраспределенийинтенсивностивполефазированной решетки с помощью ИК-камеры (рис.

4).Метод основан на использовании ИК-камеры для измерения приростатемпературы в тонком слое поглотителя с известными акустическими итеплофизическими параметрами при облучении короткими ультразвуковымиИК-камерапоглотительфантом реберимпульсами длительностью 0.1 – 0.3 сПКи относительно низкой акустическоймощностью.генератормембранаВыбранныйнизкой мощности создавал условиялинейногофазированнаярешеткаусилительрежимакустическихраспространенияволниповышениетемпературы менее, чем на 50oC, чтоРис.

4. Схема экспериментальной установкидля измерения распределений интенсивностиультразвукового пучка.невызывалоповрежденияилиизменения свойств калиброванногопоглотителя. Небольшая продолжительность ультразвуковых импульсов былавыбрана для того, чтобы можно было пренебречь эффектами диффузии исчитатьповышениетемпературыпропорциональныминтенсивности.Поглотитель (Aptflex F28, Precision Acoustics, Dorchester, Великобритания)имел однопроходный коэффициент поглощения 6 дБ при частоте 1 МГц.Коэффициент отражения на поверхности вода/поглотитель составлял -25 дБ.16В § 3.2 предлагается два различных подхода для расчета абсолютныхзначений интенсивности акустического поля, основанных на данных измеренийИК-камеры.В первом подходе предполагалось, что уровень сигнала, записанный ИКкамерой, пропорционален абсолютному значению интенсивности в условияхсвободного поля с некоторым неизвестным коэффициентом β:AIR   I water ,t(4)где AIR – уровень сигнала, записанный ИК-камерой, Iwater – абсолютное значениеинтенсивностивплоскостиизмерений.МощностьИК-сигнала,WIR,пропорциональная акустической мощности W, измеряемой с помощью методарадиационного баланса, рассчитывалась как:W IR   A (IRi )  dS i   Wt .(5)iЗдесьAIR(i )– это амплитуда ИК-сигнала, а dSi – площадь i-того пикселя враспределении, записанном камерой.

Формула (5) позволяет найти значениекоэффициента . Несмотря на простоту, предложенный метод калибровки имелбольшуюэкспериментальную погрешность, вызванную зашумленностьюданных ИК-снимка, что вносило ошибку в процессе интегрирования (5).Данный метод также не учитывал диффузию тепла внутри поглотителя.Второйметодкалибровкивключалвсебяпрямоечисленноемоделирование распределения интенсивности пучка в свободном поле в воде ив слое поглотителя, моделирование температуры с учетом диффузии тепла исравнениерассчитанногораспределениятемпературынаповерхностипоглощающего слоя с экспериментальными данными на ИК-снимке.Уравнение теплопроводности для изменения температуры T:q ( x, y , z )T  T ,С vt17(6)решалось в слое поглотителя и в слое воды, граничащем с поглотителем. q(x,y,z)– распределение тепловых источников в слое поглотителя, χ – коэффициенттемпературопроводности, Cv - теплоемкость материала поглотителя.В § 3.3 представлены результаты сравнения измерений с рассчитаннымполем температуры в слое поглотителя (6).

Было показано, что при выбранныхвременахоблучениянеоднородностейполяихарактерныхвблизиразмерахпространственныхфокуса, распределения температуры наповерхности поглощающего слоя действительно практически совпадали поформе с распределением интенсивности. При этом диффузия тепла приводила кнебольшому уменьшению пикового значения температуры, что учитывалосьвведением корректирующего коэффициента при пересчете температуры винтенсивность.Такимобразом,распределениеинтенсивностибылопропорционально приросту температуры:I water  KC vT exp2l  ,t4(7)где корректирующий коэффициент K = 1.13.

Корректирующий коэффициент Kдля первого метода калибровки был равен 0.9, что близко к значению,полученному при помощи второго метода, и является независимым способомпроверки его работоспособности.В § 3.4 с целью дополнительной проверки работоспособности методикипредставленырезультатынезависимогоэксперимента,основанныенасравнении акустических полей УЗ излучателей, измеренных при помощигидрофонаитемпературы,ИК-камеры.Коэффициентыизмеренногокамерой,впересчетаполеизраспределенияакустическогодавления,измеренного гидрофоном, оказались близкими к коэффициентам, полученнымпри помощи двух рассмотренных выше методов калибровки.Для примера на рис. 5 показано качественное сравнение распределенийинтенсивности, измеренных при помощи ИК-камеры и гидрофона (дляплоского излучателя ENRAF 1.022 МГц).

Видно, что распределения хорошосогласуются друг с другом. Однако если измерение с помощью ИК-камеры18занимало меньше секунды, то сканирование гидрофоном продолжалось до 18часов.(б)(а)20(в)1.22011010y, mmy,y,ммmm0.8000.60.4-10-100.2-20-20-100x, mm1020-20-20-100x, mm100-2020-1001020x, ммx, ммx, ммРис. 5. Сравнение распределений интенсивности акустического поля, измеренных припомощи гидрофона и ИК-камеры для плоского излучателя в плоскости последнегодифракционного максимума. Каждое распределение нормировано на свое максимальноезначение. (а) – результат сканирования гидрофоном, (б) – измерения ИК-камеры, (в) – 1Dраспределения, полученные с использованием гидрофона (▬) и ИК-камеры (─).Полученные в гл.3 результаты использовались далее в экспериментах длярасчета распределений интенсивности по данным измерений ИК-камеры.В четвертой главе представлены результаты экспериментальногоисследованиявозможностипрохождениямощногофокусированногоультразвука через грудную клетку с использованием фазированной решетки.В § 4.1 приводится схема экспериментальной установки по измерениюполя фазированной решетки при наличии ребер.В качестве модели ребер для расчетов и экспериментов использовалисьфантом рёбер (рис.

Характеристики

Список файлов диссертации