シングルエレメントの強力集束超音波トランスデューサの振動解析: 漏洩ラム波の影響

摘要

単一の圧電材料により構成される治療用の強力集束超音波（High Intensity Focused Ultrasound:HIFU）トランスデューサには、厚み縦モード振動に加えて、不要応答である板波がセラミック内を伝播していることが実験により観測されている。本研究では、シングルエレメントの球殻状PZTトランスデューサの振動的挙動を、位相共役法を用いて超音波音場の測定結果から音源振動を再構成し、また、有限要素法（FEM）を用いた数値シミュレーションによって、2通りの方法から解析、検討を行った。音源振動の2次元フーリエ解析の結果、波数スペクトルには比較的大きな第ニピークが観測され、これは球殻状トランスデューサに沿って伝播する漏洩ラム彼のような波動を表すものであった。この伝搬モードによって水中へ放射される漏洩波は、伝播方向の音場において幾何学的焦点よりも手前の位置に比較的大きなローブを形成した。これほ、集束した音響エネルギーによって、幾何学的焦点付近の治療目的部位ではない健康な組織に対しても、加熱作用を与えてしまうおそれがあることを意味している。%In a spherical single-element piezoceramic transducer for HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) treatment, the unwanted modes of plate wave propagation within the ceramic were observed in addition to the pure thickness-mode vibration in experiment. In this study, we analyzed the vibration behavior of a single-element spherical PZT transducer in two ways: by reconstruction of the sound source distribution from the measured ultrasound pressure field and by numerical simulation of vibration based on a Finite Element Method (FEM). In the two-dimensional Fourier analysis, the radial wavenumber spectrum showed a secondary peak, corresponding to waves propagating along the spherical transducer like leaky Lamb waves. The leaked waves propagate in water and form the relatively large lobes on the propagating axis in the nearside of the geometric focus. The acoustic energy of the nearside lobes may cause additional near-field heating of the tissues, which should not be treated.