Effect of the diameter of central opening on nonlinear acoustic field characteristics of high-intensity focused ultrasound transducers

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A number of novel non-invasive surgical technologies utilizing high-intensity focused ultrasound (HIFU) are based on the exploitation of nonlinear acoustic effects, leading to wave profile distortion and formation of shock fronts at the focus. Typically, these systems consist of multiple, nearly axially symmetric transducers creating a powerful ultrasound beam, with a central circular opening for accommodating a diagnostic probe for visualization purposes. For predicting focal field parameters for such transducer geometries, the equivalent source model of a spherical segment is convenient, as nonlinear effects in its field are well-studied. The equivalent source parameters (diameter, focal length, and amplitude) are optimized to closely approximate the axial focal region of the original transducer. This work investigates the influence of central opening size on nonlinear field characteristics and the applicability of the equivalent source model for a typical therapeutic ultrasound transducer with a frequency of 1 MHz and F# = 0.9. It is demonstrated that the central opening size significantly affects the manifestation of nonlinear effects in the focal region, and the equivalent source model can be applied only when the opening diameter is less than 20% of the transducer diameter.

About the authors

F. A. Nartov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics,

Email: nartov.fyodor@gmail.com
Leninskie Gory 1, Moscow, 119991 Russia

M. M. Karzova

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics,

Email: nartov.fyodor@gmail.com
Leninskie Gory 1, Moscow, 119991 Russia

V. A. Khokhlova

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics,

Author for correspondence.
Email: nartov.fyodor@gmail.com
Leninskie Gory 1, Moscow, 119991 Russia

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».