Электронный журнал «Техническая акустика» ISSN 1819-2408

Т. Нгуен, Л. Буи, Н. Тран, В. Френкель

Калибровка терапевтических ультразвуковых преобразователей с учётом влияния кавитации

язык: английский

получена 01.01.2013, опубликована 19.06.2013

Скачать статью (PDF, 266 кб, ZIP), используйте команду браузера "Сохранить объект как..."
Для чтения и распечатки статьи используйте «Adobe Acrobat© Reader» версии 4.0 или выше. Эта программа является бесплатной, ее можно получить на веб-сайте компании Adobe© (http://www.adobe.com/).

АННОТАЦИЯ

Приборы для измерения мощности ультразвука, излучаемого преобразователями, основанные на измерении силы излучения, которая воздействует на объект (мишень), помещённый в ультразвуковое поле, повсеместно используются в клиниках и лабораториях. Несмотря на популярность, этим приборам присуща неточность, связанная с влиянием кавитации и акустического течения - движения жидкости, вызванного ультразвуковыми волнами. Эти факторы могут изменять смещение объекта и измеряемую мощность. Данное исследование направлено на создание прибора для измерения мощности включающего неотражающую цель, подвешенную на аналитических весах в водной среде. Выполнены исследования влияния кавитации и потока. Первый фактор снижает измеряемую мощность, второй - повышает. Обнаружено, что оба фактора пропорциональны величине мощности, что соответствует теории. Предложен усовершенствованный прибор, в котором проницаемая для звука мембрана располагается непосредственно над мишенью и значительно снижает влияние потока. Для снижения влияния кавитации пара ультразвуковых преобразователей - излучатель и приёмник - располагались поперёк направления ультразвукового луча, и автоматически рассчитывался коэффициент затухания. Эти данные использовались затем для снижения влияния кавитации на результаты измерений мощности. Дополнительно создана установка для повышения точности измерений, состоящая и компонентов, которые обычно имеются в любой лаборатории. Разработанная система может быть использована для исследования явлений, связанных с применением ультразвука в водной среде.

Ключевые слова: терапевтический ультразвук, ультразвуковой преобразователь, мощность ультразвука, калибровка, акустическая кавитация.

15 страниц, 7 иллюстраций

Как сослаться на статью: Т. Нгуен, Л. Буи, Н. Тран, В. Френкель . Калибровка терапевтических ультразвуковых преобразователей с учётом влияния кавитации. Электронный журнал "Техническая акустика", http://ejta.org, 2013, 5.

ЛИТЕРАТУРА

1. Frenkel V (2008) Ultrasound mediated delivery of drugs and genes to solid tumors. Adv Drug Deliv Rev 60(10):1193-1208.
2. Ferrari CB, Andrade MA, Adamowski JC, & Guirro RR (2010) Evaluation of therapeutic ultrasound equipment performance. Ultrasonics 50(7):704-709.
3. Zeqiri B (2007) Metrology for ultrasonic applications. Prog Biophys Mol Biol 93(1 3):138-152.
4. Lewin PA (2010) Nonlinear Acoustics in Ultrasound Metrology and other Selected Applications. Phys Procedia 3(1):17-23.
5. Harris GR, Preston RC, & Dereggi AS (2000) The impact of piezoelectric PVDF on medical ultrasound exposure measurements, standards, and regulations. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 47(6):1321-1335.
6. Bindal VN, Singh VR, & Singh G (1980) Acoustic power measurement of medical ultrasonic probes using a strain gauge technique. Ultrasonics 18(1):28-32.
7. Patel PR, et al. (2008) In vitro and in vivo evaluations of increased effective beam width for heat deposition using a split focus high intensity ultrasound (HIFU) transducer. Int J Hyperthermia:1-13.
8. King RL, et al. (2011) Development and characterization of a tissue-mimicking material for high-intensity focused ultrasound. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 58(7):1397-1405.
9. Maruvada S, Harris GR, Herman BA, & King RL (2007) Acoustic power calibration of high-intensity focused ultrasound transducers using a radiation force technique. J Acoust Soc Am 121(3):1434-1439.
10. Nightingale KR, Nightingale RW, Palmeri ML, & Trahey GE (2000) A finite element model of remote palpation of breast lesions using radiation force: factors affecting tissue displacement. Ultrason Imaging 22(1):35-54.
11. O'Brien WD, Jr. (2007) Ultrasound-biophysics mechanisms. Prog Biophys Mol Biol 93(1-3):212-255.
12. Lewin PA, Barrie-Smith N, Ide M, Hynynen K, & Macdonald M (2003) Interlaboratory acoustic power measurement. J Ultrasound Med 22(2):207-213.
13. Muttakin I, et al. (2011) Low cost design of precision medical ultrasound power measurement system. Int'l J Circuits Sys Signal Proc 5(6):672-682.
14. Miller DL, et al. (2008) Bioeffects considerations for diagnostic ultrasound contrast agents. J Ultrasound Med 27(4):611-632; quiz 633-616.
15. Kikuchi T, Sato S, & Yoshioka M (2004) Quantitative Estimation of Acoustic Streaming Effects on Ultrasonic Power Measurement. IEEE UFFC:2197-2200.
16. Frenkel V, Kimmel E, & Iger Y (1999) Ultrasound-induced cavitation damage to external epithelia of fish skin. Ultrasound Med Biol 25(8):1295-1303.
17. O'Neill BE, et al. (2009) Pulsed high intensity focused ultrasound mediated nanoparticle delivery: mechanisms and efficacy in murine muscle. Ultrasound Med Biol 35(3):416-424.
18. Lele PP (1980) Induction of deep, local hyperthermia by ultrasound and electromagnetic fields: problems and choices. Radiat Environ Biophys 17(3):205-217.
19. Johns LD, Straub SJ, & Howard SM (2007) Analysis of effective radiating area, power, intensity, and field characteristics of ultrasound transducers. Arch Phys Med Rehabil 88(1):124-129.
20. Kimmel E (2006) Cavitation bioeffects. Crit Rev Biomed Eng 34(2):105-161.
21. Duraiswami R, Prabhukumar S, & Chahine GL (1998) Bubble counting using an inverse acoustic scattering method. J Acoust Soc Am 104(5):2699-2717.
22. Apfel RE & Holland CK (1991) Gauging the likelihood of cavitation from short-pulse, low-duty cycle diagnostic ultrasound. Ultrasound Med Biol 17(2):179-185.
23. Frenkel V, Kimmel E, & Iger Y (2000) Ultrasound-induced intercellular space widening in fish epidermis. Ultrasound Med Biol 26(3):473-480.
24. Hill CR (1971) Ultrasonic exposure thresholds for changes in cells and tissues. J Acoust Soc Am 52(2):667-672.
25. Nomura S & Nakagawa M (2001) Analysis of an ultrasonic field attenuated by oscillating cavitation bubbles. Acoust Sci & Tech 22(4):283-291.
26. Barnett SB, et al. (1994) Current status of research on biophysical effects of ultrasound. Ultrasound Med Biol 20(3):205-218.
27. Nightingale KR & Trahey GE (2000) A finite element model for simulating acoustic streaming in cystic breast lesions with experimental validation. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 47(1):201-214.
28. Shi X, Martin RW, Vaezy S, & Crum LA (2002) Quantitative investigation of acoustic streaming in blood. J Acoust Soc Am 111(2):1110-1121.
29. Soo MS, et al. (2006) Streaming detection for evaluation of indeterminate sonographic breast masses: a pilot study. AJR Am J Roentgenol 186(5):1335-1341.
30. Nightingale KR, Kornguth PJ, & Trahey GE (1999) The use of acoustic streaming in breast lesion diagnosis: a clinical study. Ultrasound Med Biol 25(1):75-87.
31. Frenkel V, Gurka R, Liberzon A, Shavit U, & Kimmel E (2001) Preliminary investigations of ultrasound induced acoustic streaming using particle image velocimetry. Ultrasonics 39(3):153-156.
32. Campbell M, Cosgrove JA, Greated CA, Jack S, & J.D. R (2000) Review of LDA and PIV applied to the measurement of sound and acoustic streaming. Optics Laser Tech 32:629-639.

		Тхан Нгуен окончил Католический университет США в штате Вашингтон по специальности электротехника в 2013. В настоящее время работает в Центре информационных технологий университета, занимается сетевой безопасностью. е-mail: 32nguyen(at)cardinalmail.cua.edu
		Лоан Буи окончила Католический университет США в штате Вашингтон по специальности биомедицинские технологии в 2012. В настоящее время работает над диссертацией в университете штата Техас. е-mail: lbui(at)mavs.uta.edu
		Нгиха Тран окончил Католический университет США в штате Вашингтон по специальности электротехника в 2012. В настоящее время работает в этом же университете над диссертацией по рассеянию электромагнитных волн. е-mail: 16tran(at)cardinalmail.cua.edu
		Виктор Френкель получил два высших образования по специальностям агрономия и биология в Израиле в 1991 и 1995. В 1999 защитил диссертацию в Политехническом институте Технион в Хайфе. Затем выполнял научные исследования в Биотехнологическом институте университета штата Мэриленд (Балтимор, США) и на кафедре радиологии Национального института здравоохранения (Бетесда, Мэрилен). В настоящее время - доцент кафедры биотехнологий Католического университета США в штате Вашингтон. Занимается применением ультразвука в медицине. е-mail: frenkel(at)cua.edu