Одноэлементные фокусирующие излучатели ультразвука — это устройства, создающие фокусированные ультразвуковые пучки и выполненные в виде одиночного пьезоэлектрического излучающего элемента, поверхности которого в большинстве случаев придана сферическая или цилиндрическая формаРозенберг, Л. Д. Фокусирующие излучатели ультразвука // В кн.: Физика и техника мощного ультразвука / Под ред. Л. Д. Розенберга. Кн. 1. Источники мощного ультразвука. — М.: Наука, 1967. — C. 149—206.. Наибольшее распространение получили так называемые сферические фокусирующие излучатели, представляющие собой по форме сферический сегмент в виде чаши, диаметр которой намного превышает длину волны ультразвука. В таких системах сходящийся в фокус волновой фронт имеет исходно сферическую форму, что приводит к концентрации энергии ультразвука в фокальной области. Диаметр фокальной области намного меньше диаметра излучателя и по порядку величины сравним с длиной волны ультразвука. Благодаря этой особенности интенсивность ультразвука в фокусе значительно превышает интенсивность на поверхности источника. Наряду с одноэлементными излучателями, фокусированные пучки могут создаваться более сложными по устройству и управлению многоэлементными излучателями (фазированными антенными решётками), которые здесь не рассматриваются.
Наибольшее распространение одноэлементные фокусирующие излучатели ультразвука получили в клинической и экспериментальной медицинеГаврилов, Л. Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. — М.: Фазис, 2013. — 656 c. — ISBN 978-5-7036-0131-2. Обычно интенсивность на поверхности пьезокерамических излучателей ультразвука при длительной работе не превышает 10 Вт/см2, а при условии хорошего охлаждения излучателя — 20—40 Вт/см2. Рекордные значения интенсивности, полученные на поверхности пьезоэлектрических пластин в режиме непрерывного излучения, достигают 300 Вт/см2Буров, А. К. Получение больших интенсивностей ультразвука в жидкости // Акустический журнал. — 1958. — Т. 4, № 4. — С. 315—320.. В то же время при использовании современных фокусирующих систем, в том числе одноэлементных излучателей, не представляет затруднений получить в фокусе в сотни и тысячи раз большие интенсивности ультразвука и достичь уровней порядка тысяч и десятков тысяч ватт на 1 см2Ультразвук в медицине. Физические основы применения Под ред. К. Хилла, Дж. Бэмбера, Г. тер Хаар. Пер с англ. под ред. Л. Р. Гаврилова, В. А. Хохловой, О. А. Сапожникова. — М.: Физматлит, 2008, 544 с., стр. 67.. Это позволяет при использовании определённых параметров ультразвукового воздействия вызывать неинвазивно в глубоких тканях организма разнообразные стимулирующие и терапевтические эффекты, а также создавать разрушения заранее заданного размера без повреждения окружающих тканей, что исключительно важно для медицины.
История Фокусирующие излучатели из кварца, поверхности которых была придана вогнутая форма, были впервые предложены в середине 1930-х годовGreutzmacher, J. Piezoelektrishe Kristall mit Ultrashall konvergenz // Zh. Phys. — 1935. — V. 96. — 342.. В 1942 г. один из первых подобных излучателей был использован в экспериментах на образцах печени и при воздействии фокусированным ультразвуком на структуры мозга животных через черепLynn, Y. G., Zwemer, R. L., Chick, A. J., Miller, A. E. A new method for the generation and use of focused ultrasound in experimental biology // Journ. Gener. Physiol. — 1942. — V. 26. — P. 179—193.. Такие излучатели были не только дороги и сложны в изготовлении, но и не позволяли создать правильный синфазный волновой фронт вследствие зависимости пьезоэлектрических свойств кварца от направления. Поскольку электрическая ось кристалла образует в разных точках сферической поверхности разные углы с нормалью, излучаемая энергия неравномерно распределена по его поверхности. Поэтому из кварца невозможно сделать фокусирующий излучатель с большой кривизной поверхностиГаврилов, Л. Р., Цирульников, Е. М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине. — Л.: Наука, 1980. — 199 с..
Фокусирующие излучатели для применения в медицине, изготовленные в конце 1950-х годов, были выполнены на основе плоских кварцевых излучателей с фокусирующими линзами из пластмассFry, F.J. Precision high intensity focusing ultrasonic machines for surgery // Amer. J. Phys. Med. — 1958. — V. 37, № 3. — P. 152—156.Aström, К. E., Bell, E., Ballantine, Н. Т., Heidensleben, E. An experimental neuropathological study of the effects of high-frequency focused ultrasound on the brain of the cat // J. Neuropathol. Exp. Neurol. — 1961. — V. 20, № 4. — P. 484—520.Lele, P. P. Production of deep focal lesions by focused ultrasound — current status // Ultrasonics. — 1967. — V. 5. — P. 105—112.. В лаборатории проф. В. Фрая (), США использовалась конструкция, состоящая из четырёх фокусирующих излучателей, взаимное расположение которых регулировалось таким образом, чтобы фокальные области всех излучателей совпали друг с другомFry, F. J., Ades, H. W., Fry W. J. Production of reversible changes in the central nervous system by ultrasound // Science. — 1958. — V. 127, № 3289. — P. 83—84..
Существенный недостаток таких фокусирующих систем состоит не только в сложности конструкции, но и в том, что в фокусирующей линзе поглощается до 40 % излучаемой акустической энергии. Кроме того, из-за различия в акустическом импедансе линзы и среды распространения, часть энергии волны отражается от границ раздела и не фокусируется должным образом. Перегрев линз и, как следствие, их повреждение особенно сильно сказываются при высоких частотах и больших интенсивностях ультразвука. Несмотря на указанные недостатки, фокусировка с помощью линз активно используется в современных фокусирующих устройствах. Так, в ультразвуковых датчиках, используемых в медицинской диагностике, для задания области сканирования в виде тонкого слоя используются цилиндрические линзыSzabo, T.L. Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out. 2nd Edition. — Oxford, UK, Academic Press (Elsevier), 2014. — p. 130.. Фокусировка с помощью линзы используется в одной из конструкций электромагнитного ударноволнового литотриптераБэйли, М. Р., Хохлова, В. А., Сапожников, О. А., Каргл, С. Г., Крам Л. А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань (Обзор) // «Акустический журнал» — 2003. — Т. 49, № 4. — C. 437—464.Leighton, T. G., Cleveland, R. O. Lithotripsy // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. — 2010. — V. 224, № 2. — P. 317—342.. С появлением трёхмерной печати изготовление акустических линз стало проще и поэтому можно ожидать их дальнейшего использования.
Другим методом создания фокусированных акустических полей является метод, основанный на отражении плоских или сферически расходящихся волн от вогнутых поверхностей. Исторически такой способ фокусировки начал широко использоваться в экстракорпоральной ударноволновой литотрипсии. Так, в электрогидравлических литотриптерах в качестве источника ударной волны используется электрический разряд в водеНаугольных, К. А., Рой, Н. А. Электрические разряды в воде. — М.: Наука. — 1971. — 155 с.. Для фокусировки этого импульса на почечный камень используется металлический рефлектор, поверхность которого изготавливается в форме полуэллипсоида вращения. Электрический разряд производится в одном из фокусов эллипсоида, а мишень (почечный камень) устанавливается в другом фокусе. Сферически расходящийся мощный акустический импульс, возбуждаемый при электрическом разряде, превращается в фокусированную волну, сходящуюся во втором фокусе эллипсоида. Другой тип рефлектора используется в конструкции «электромагнитного» литотриптера, в которой импульсно возбуждаемая магнитным полем цилиндрическая мембрана создаёт цилиндрически расходящуюся волну. Эта волна направляется на рефлектор с профилем, образующемся при вращении параболы вокруг оси, проходящей через фокус и перпендикулярной оси параболыRassweiler, J., Henkel, T. O., Kohrmann, K. U., Potempa, D., Junemann, K. P., Alken, P. Lithotripter technology: present and future // Journal of Endourology. — 1992. — V. 6, № 1. — P. 1—13.. При такой форме отражающей поверхности цилиндрическая волна сходится в фокусе параболы, который и наводится на почечный камень; похожий подход используется в конструкциях некоторых терапевтических ультразвуковых аппликаторовСинельников, Е. Д., Филд, Т., Сапожников, О. А. Закономерности формирования зоны термического разрушения при лечении фибрилляции предсердий катетерным методом ультразвуковой абляции // Акустический журнал. — 2009. — Т. 55, № 4—5. — С. 641—652.. Недостатками использования рефлекторов для фокусировки ультразвука является громоздкость конструкции и потери, связанные с неидеальным отражением.
От недостатков, присущих акустическим линзам и рефлекторам, принцип работы которых фактически копирует классические оптические подходы, в существенной мере избавлены специфические для акустики сферические излучатели на основе вогнутых пластин из пьезокерамики, которые стали использовать для медицинских целей уже в конце 1960-х годовWarwick, R., Pond, J. Trackless lesions in nervous tissues produced by high intensity focused ultrasound (high-frequency mechanical waves) // J. Anat. — 1968. — V. 102, № 3. — P. 387—405.Fry, F. J., Heimburger, R. F., Gibbons, L. V., Eggleton R. C. Ultrasound for visualization and modification of brain tissue // IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics. — 1970. — V. SU-17, № 3. — P. 165—169.Авиром, В. М., Адрианов, О. С., Выходцева, Н. И., Гаврилов, Л. Р., Меринг, Т. А., Сиротюк, М. Г. Разрушение глубоких структур мозга с помощью фокусированного ультразвука // Журн. высш. нервн. деят. — 1971. — Т. 21, № 5. — С. 1110—1113.. С тех пор использование в качестве излучающего элемента вогнутых пластин из пьезокерамики стало общепринятым способом конструирования одноэлементных фокусирующих излучателей ультразвука. Кроме очевидных выгод в стоимости и технологии изготовления подобных излучателей, они более предпочтительны, поскольку направление пьезоэлектрических осей, создаваемое поляризацией, в каждой точке совпадает с направлением к центру кривизны.
Методы расчёта акустических полей и основные соотношения