高强度聚焦超声的计算机模拟与实验分析

　　1引言

　　高强度聚焦超声(HIFU)技术已成为超声波热疗研究的新热点[1]。与一般热疗方式相比，HIFU技术的长处在于能在几秒钟的短时间内将焦点靶区的肿瘤组织温度升至70'C以上，而常规热疗仅达42^-450C。由于加热时间短，使靶区内热量来不及与外部交换，而不至于伤害其它组织。有关的实验研究证实[2] ; HIFU技术能精确加热并液化癌组织，使其被正常组织吸收。本文利用计算机对非相干自聚焦多元换能器阵列声场进行了模拟，初步建立了人体内的声场模型，并且相应的做了大量体膜实验，为进一步建立热传递模型，对聚焦超声辐照的组织中的温度分布进行合理估计打下了基础。

　　2自聚焦多元阵的几何结构和工作方式

　　自聚焦多元阵的几何结构为:8个换能器探头围绕球壳的圆心均匀摆放，压电片与球壳相切。另外1个探头位于球顶，每个探头的轴线指向球壳的球心。其侧视图和俯视图如图1所示。

　　每一个阵元在一定大小的脉冲电压驱动下工作。当9个加热探头同时打开时，在9束声波相互交迭的区域中，声场的能量密度约为一束声波的9倍。此外，九元阵也配有循环水装置，旨在避免人体表皮烧伤。具体参数如表1所示。

　　3自聚焦九元阵的计算机模拟结果和实验结果的比对

　　超声换能器的声强计算公式为:

　　为检验九元阵的性能如何，进行了温度测量实验。实验条件:藕合剂:水，温度:19°C;被加热物质:琼脂，温度28° C;时间:开始加热5s后。实验结果列于表2。

　　根据表2绘制温度在纵轴和横轴的分布图，以便更好地分析实验结果。九元阵纵轴上的实验结果温度分布曲线和计算机模拟声强分布曲线分别如图3(a),(b)所示。纵轴坐标为零处的横向实验结果温度分布曲线和计算机模拟声强分布曲线分别如图4(a), (b)所示。

　　从图中可以看出:实测温度分布曲线和声强分布曲线走向基本一致。这是因为根据软组织升温公式:

　　但实测温度分布曲线半峰宽宽于声强分布曲线半峰宽。这是因为在实际测量过程中由于热传递作用使温度分布趋于平均。计算机模拟的声场分布说明，自聚焦九元阵可对深度小于5cm、直径小于5cm的肿瘤作局部加热，对浅表中小尺寸肿瘤加热效果尤佳。

　　4结论

　　自聚焦多元阵与非聚焦换能器相比，有以下特点:非聚焦换能器所形成的热场，从浅表到深部的温度梯度很大，对加热治疗很不利。为解决这一问题，可用具有自聚焦的曲面换能器加热深部组织，以抵消或弥补生物组织对声波的衰减，获得较均匀的温度分布，以适合高温热疗的需要;九元阵各阵元是在有一定间隔的脉冲电压驱动下工作的，因此，它极大减轻了表层组织的热量积累效应，不会引起疼痛，更可避免烧伤现象。