高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗已成功用于实体软组织肿瘤的临床治疗。然而,对于HIFU经颅聚焦治疗脑肿瘤而言,由于颅骨及其声学特性与软组织完全不同且声学特性差异很大,导致颅骨及其周边组织温度升高而受到损伤等类似问题的发生。研究目的为解决HIFU临床治疗的问题,有必要掌握HIFU经颅骨传播过程及其声压、能量分布。本文以HIFU脑肿瘤治疗临床病例为研究对象,建立包含人体头颅在内的三维数值仿真模型,结合64阵元球冠状相控阵列换能器,数值仿真研究通过调控换能器阵元发射声波的相位,降低颅骨内导致较高温升的峰值声压的方法,为HIFU应用临床治疗脑肿瘤提供有效方法。研究方法结合临床HIFU经颅聚焦脑组织导致颅骨声压过高的实际问题进行三维数值仿真研究。对Westervelt声波传播方程进行全等降阶,采用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)法数值仿真三维空间的声压场分布。并利用Aubry提出利用CT图像获得颅骨声学特性参数的方法,将颅骨及传播介质的声学参数导入仿真模型中。为了实现HIFU经颅聚焦并降低颅骨内峰值声压,首先选用水体模型进行数值仿真与实验对比验证,其次将均质化的骨板加入水体模型,对比自聚焦法、时间反转相控法以及时间反转法联合降低峰值声压法数值仿真形成的声压场,并将后两种方法应用于HIFU经颅聚焦的声压分布,初步探讨聚焦深度对焦域内声场的影响。研究结果(一)、水体模型1.在仿真参数相同的条件下,对Westervelt声波传播方程分别采用降阶差分和直接差分进行声场数值仿真,其形成声场基本一致,但前者相比后者计算速度快30.9%左右。2.在换能器表面平均声压一定的条件下,数值仿真所得声轴上及焦平面轴上的声压特性曲线与水槽中进行的声场测量实验的结果几乎一致。(二)、骨板模型1.采用时间反转方法经骨板聚焦形成声场中,形成焦点位置与目标焦点位置相一致。2.与时间反转法相比,时间反转联合降低颅骨声压法可降低颅骨峰值声压,降低骨焦比,但对实际焦点位置及焦点幅值影响不大。(三)、颅骨模型1.与时间反转法相比,时间反转联合降低颅骨声压法可降低颅骨峰值声压、降低骨焦比,但对实际焦点位置及焦点幅值影响不大。2.当焦距一定的条件下,采用时间反转法经颅聚焦,随聚焦深度L2降低,颅骨内峰值声压幅值升高,实际焦点幅值降低,骨焦比增大。3.在焦距一定的条件下,采用时间反转法经颅聚焦,当聚焦深度L2大于30mm时,颅骨外层骨皮质内声压大于颅骨内层骨皮质内声压;当聚焦深度L2小于30mm时,颅骨外层骨皮质内声压小于颅骨内层骨皮质内声压。4.当聚焦深度L2小于30mm时,需要采用时间反转联合降低颅骨声压的相控聚焦方法,降低颅骨内可能对颅骨及周边组织造成损伤的峰值声压。结论1.采用时间反转法调控经颅HIFU相控换能器阵元相位可实现在目标靶区聚焦。2.当颅骨内存在峰值声压,采用时间反转法联合降低颅骨声压方法,可降低颅骨内的峰值声压。3.当焦距一定的条件下,采用时间反转法经颅聚焦,聚焦深度L2与骨焦比呈负相关。4.在焦距一定的条件下,当小于临界聚焦深度L2时,需采用时间反转法联合降低颅骨声压方法进行经颅聚焦,减少对颅骨及周边组织的损伤。