Khokhlova VA, Yuldashev PV, Rosnitskiy PB, Maxwell AD, Kreider W, Bailey MR, Sapozhnikov OA. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Phys Procedia. 2016;87:132-138. doi: 10.1016/j.phpro.2016.12.020. PMID: 28580038; PMCID: PMC5451200.
高强度聚焦超声（HIFU）的各种临床应用对焦点处的压力水平和非线性波形畸变程度有不同的要求。利用具有发达冲击的非线性波的应用越来越受到关注，例如，机械分解以及组织的加速热消融。在这项工作中，解决了确定换能器参数以能够在焦点处形成具有所需幅度的冲击的逆问题。该解决方案是通过对不同源参数的抛物线 Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK) 方程进行多次直接模拟而获得的。结果表明，抛物线近似内获得的结果可用于描述单元件球形源以及复杂换能器阵列的焦点区域。还证明，形成充分发展的激波的焦点压力水平主要取决于源的聚焦角度，仅轻微取决于其孔径和工作频率。利用仿真结果，设计了一个以 1.5 MHz 频率运行的 256 元件 HIFU 阵列，用于沸腾组织摧毁术的特定应用，该应用依赖于焦点处存在 90-100 MPa 的冲击。选择阵列元件的尺寸和阵列的聚焦角以满足阵列元件的强度和焦点波形中期望的冲击振幅的技术限制。使用莫斯科国立大学开发的开源 T-Array 软件分析了阵列的焦点控制能力。
高强度聚焦超声（HIFU）是一种无创手术技术，通过聚焦超声波消融体内不需要的组织。传统HIFU在中等强度下产生热损伤，而高强度HIFU可加速治疗并产生冲击波。冲击波导致组织加热增强，迅速形成热损伤。短超声波脉冲可用于机械液化组织。最近开发了两种组织摧毁术方法：空化云组织摧毁术和沸腾组织摧毁术，均使用低占空比避免热量累积。空化云法需更高压力和冲击幅度。评估换能器非线性超声场或开发优化换能器需解决问题，确定焦点处期望的冲击幅度或峰值压力参数。
在约数百 W/cm 2的中等原位强度水平下进行的传统 HIFU 治疗中，近谐波形状的超声波（图 1(a)）在焦点处产生纯粹的热损伤（图 1(c)） 。更高的强度，高达数kW/cm 2，可用于加速治疗。当强度增加时，非线性传播效应会在从换能器发出的途中累积，导致焦点处的超声波波形形成高振幅冲击（图 1(b)）。当存在冲击时，组织加热明显强于相同压力大小的谐波加热；焦点处可在几毫秒内达到沸腾温度（Canney等，2008）。当发生冲击引起的沸腾时，会迅速产生具有汽化核心的热损伤（图1（d））。带有冲击的短超声波脉冲也可用于产生组织的纯机械液化（组织解剖）（图 1(e)）（霍根布姆等人。，2015，Khokhlova V.等人。，2015）。最近，开发了两种组织解剖方法。两种方法均使用脉冲周期协议，其占空比低至<1%，以避免组织中热量累积。空化云组织摧毁术使用微秒长脉冲，在焦点区域产生空化云（Parsons等人，2006），而沸腾组织摧毁术 (BH) 使用毫秒长脉冲，在每个脉冲内诱导组织局部沸腾（Khokhlova T.等人）等， 2011）。不同的组织摧毁术方法需要病灶处特定的压力水平和冲击幅度。一般来说，与沸腾组织摧毁术法相比，空化云组织摧毁术需要更高的峰值压力，因此需要更高的冲击幅度（Maxwell等，2012）。
典型线性波形 (a) 和在 HIFU 焦点处具有冲击的非线性失真波形 (b) 的一个周期，用于产生 (c) 纯热损伤、(d) 沸腾热损伤和 (e) 机械损伤组织中的病变。
线性轴向压力振幅分布p / p max归一化至由球形聚焦换能器生成的最大值 (a) ，其F值相同或 (b) 不同= F /2 a 0。这里，a 0是换能器半径，F是其焦距，z是沿换能器轴的坐标。给出了频率为 1.5 MHz 的换能器的示例，并且 (a) F = 8、12、16 cm；F数=1.5； (b) F = 8、12、16 厘米；F数= 1, 1.5, 2。
a) 频率为 1 MHz 的强聚焦（ F = D，实线）和弱聚焦（F = 2 D，虚线）换能器的完全发展冲击的特征焦点波形。 (b) 具有完全发展的激波的焦点波形参数（As、p +和p - ）和 (c) 初始强度，需要在焦点处获得完全发展的激波对F数的要求不同半径值的传感器：a 0 = 3 cm（实线）、3.5 cm（虚线）、4 cm（点划线）、4.5 cm（点线）。
a) 所考虑阵列的草图和一般参数。针对 6 mm (b)、6.5 mm (c) 和 7 mm (d) 尺寸元件的情况给出了确定阵列元件直径的示例。显示了使用瑞利积分（实线）分析计算的阵列的线性轴向场p A / p 0，以及等效球形源的场（虚线）。图底部列出了在焦点处获得充分发展的激波所需的阵列元素的初始强度。
基于所提出的设计已制造的阵列换能器（Imasonic，Voray Sur L'ognon，法国）的照片如图6所示。阵列的最终参数为：1.5 MHz 频率、144 mm 孔径、120 mm 焦距（F值= 0.83）、256 个直径 7 mm 的元件，在 16 臂螺旋配置中以 0.5 mm 间隙定位，中心开口为 40 mm用于 P4-2 超声成像探头。
用所提出的方法设计的 256 元件阵列换能器的照片，在焦点处产生 90 – 100 MPa 的冲击。阵列的最终参数为：1.5 MHz 频率、144 mm 孔径、120 mm 焦距（F值= 0.83）、256 个直径 7 mm 的元件，在 16 臂螺旋配置中以 0.5 mm 间隙定位，中心开口为 40 mm用于 P4-2 超声成像探头。
讨论
在这项研究中，解决了确定换能器参数以在焦点处提供所需冲击幅度的逆问题。结果表明，震源的聚焦角度是决定震波充分发展的焦点波形中的压力水平的主要参数。使用所提出的方法设计了用于沸腾组织解剖应用的多元件 HIFU 阵列。确定阵列的聚焦角度及其元件的直径，以满足阵列元件的强度水平以及焦点处所需的冲击幅度的技术限制。为分析 HIFU 阵列的转向能力而开发的 T-Array 软件包用于评估阵列设计的安全有效的焦点转向区域。一般来说，对于不同的源聚焦角度，在冲击形成状态下焦点处可达到的压力水平结果可用于指导各种 HIFU 应用的换能器设计。
这里描述的旨在存在冲击或避免冲击的该阵列和设计 HIFU 探头的过程将在未来用于许多应用。例如，设计过程将有助于开发专门避免冲击的碎石机（Maxwell等人，2015）。它也非常适合所描述的将水中测量的非线性和冲击波形降额为组织中波形的技术。在另一个例子中，该阵列将用于通过“牵引束”重新定位肾结石（萨波日尼科夫等人，2014；Baresch等人，2016）。
