Absorption of Finite Amplitude Ultrasound in Tissues

Absorption for the case of finite amplitude ultrasound coupled through a water path to a tissue sample is investigated. As a finite amplitude wave travels through the water path, it becomes rich in harmonics and is attenuated even though the low intensity (linear) absorption coefficient of the medium is very small. The absorption of this wave in the tissue is modelled as the sum of two mechanisms: First, the effective absorption in the tissue is increased because of the presence of harmonics in the incident wave, and second, the same nonlinear phenomena, which give rise to distortion and attenuation in the water path, continue in the tissue as long as the amplitude of the wave is great. The predictions of this model agree well with observations of the absorption of finite amplitude ultrasound in liver tissue. At 4.4 MHz and a source-sample separation of 11.5 cm, the absorption parameter at 20 W/cm² is approximately twice the linear (low intensity) absorption coefficient.

Zusammenfassung

Es wird hier die Absorption von Ultraschall endlicher Amplitude, die durch einen Wasserpfad der Gewebeprobe zugeführt wird, untersucht. Wenn eine Welle mit endlicher Amplitude durch Wasser geleitet wird, wird sie harmonisch angereichert und gedämpft, obwohl der (lineare) Ab-sorptionskeoffizient des Mediums bei geringer Intensität sehr klein ist. Die Absorption dieser Welle im Gewebe wird als Summe zweier Mechanismen verstanden: erstens, die effektive Absorption im Gewebe ist verstärkt aufgrund der Harmonischen der zugehörigen Welle, und zweitens, dieselben nichtlinearen Phänomene, die die Verzerrung und Dämpfung im Wasserpfad hervorrufen, wirken im Gewebe fort, solange die Amplitude der Welle groß ist. Die Voraussagen dieses Modells stimmen gut überein mit den Beobachtungen der Absorption von Ultraschall endlicher Amplituden in Lebergewebe. Bei 4,4 MHz und einem Quellen-Proben Abstand von 11,5 cm, ist der Absorptionsparameter bei 20 W/cm² etwa doppelt so groß wie der lineare (geringe Intensität) Absorptionskoeffizient.

Sommaire

On étudie l'absorption d'une onde ultrasonore d'amplitude finie lorsqu'elle est couplée à un échantillon de tissu par l'intermédiaire d'un milieu aqueux. Lorsque cette onde parcourt ce milieu aqueux, elle s'enrichit en harmoniques et subit une atténuation notable même si le coefficient linéaire d'absorption aux amplitudes faibles est très petit. L'absorption d'une onde d'amplitude finie dans un tissu est modélisé comme la somme de deux mécanismes distincts: premièrement l'absorption effective dans le tissu se trouve augmentée du fait de la présence de fréquences harmoniques de l'onde incidente; deuxièmement, le même phénomène non linéaire qui donne lieu à distorsion et atténuation dans le milieu aqueux prolonge son action dans le tissu aussi longtemps que l'amplitude de l'onde demeure grande. Les prédictions de ce modèle concordent bien avec les observations faites sur l'absorption d'ultrasons d'amplitudes finies dans le tissu hépatique. A 4,4 MHz, et avec une distance source-échantillon de 11,5 cm, le paramètre d'absorption pour une intensité de 20 W/cm² vaut environ deux fois le coefficient linéaire d'absorption aux intensités faibles.