题目：高强度聚焦超声技术及其换能器的研究

高强度聚焦超声(简称HIFU)是指对低MHz量级频率的超声束在人体外进行聚焦, 使焦点的声强高达几千至几万。当声束以体表可以接受的低声强进入人体, 使焦点置于靶组织( 如肿瘤) 上, 短时间( 0.5s~5s)辐照使靶组织温升到60℃以上，致其急性热坏死(necrosis) 又不伤及周围的正常组织，以达到治疗的效果。从首届国际HIFU研讨会至今, 随着计算机、成像技术及材料等的迅速发展, 众多研究人员对HIFU技术产生了超前浓厚的兴趣, 并从声源设计、组织损坏机理、消融区域的影像学特征、应用范围的推广等方面进行了广泛而细致地研究，从而使HIFU医疗技术得到了蓬勃发展。HIFU技术是一种物理治疗手段，已经广泛应用在医学各个领域，特别是对肿瘤的治疗。为了提高高强度聚焦超声治疗的效果，目前研究的途径主要围绕以下三方面：一是从工程角度考虑的，提高产生超声的换能器的功率，设计新型的超声换能器和改进HIFU的监控系统；二是减少声能在传播过程中的损失；三是改变组织声环境,增加靶区组织超声能量的积聚，分别从减少对病区的血供，增加声阻抗和增加空化作用入手。
本文从理论上对高强度聚焦超声技术进行了以下几个方面的研究：
(1) 介绍了高强度聚焦超声治疗的原理，给出了HIFU治疗的试验模型，讨论了高强度聚焦超声治疗机理：热效应、微空化效应、微机械效应和辐照效应等。
(2) 确定了本工作的高强度聚焦超声换能器的构成材料、聚焦方式、其频率、辐照强度及其形状等一系列的设计及其实施。
(3) 依据基于惠更斯原理推演的亥姆霍兹——基尔霍夫积分定理和声学的基本理论，研究了现用的几种HIFU换能器的结构及其声场理论的计算方法，设计了一新型HIFU换能器以期提高一般HIFU治疗的效果和减小其对正常组织的损伤等问题。
通过对设计的新型换能器的声场的研究及讨论表明：                             
(1) 对由几个面积相等、形状相同的凹扇形换能器围成的换能器组而言, 采取换能器轮流工作的方式, 每次只有相对的两个换能器工作, 这样, 当换能器工作时, 同一时间内健康组织受辐照的面积将减少。但是采用这种聚焦方式的缺点是，在同等情况下用两个换能器聚焦,比整个凹球面聚焦的声压峰值小, 但声强幅值却减少。也就是说在健康组织所受辐射量减少的同时,病变组织所受的辐照量也减少了, 这就不能达到我们所要求的聚焦效果。
(2) 对于由3个完全相同、只是角度不同的中间开口的凹球面聚焦换能器组而言，让其轮流工作,那么,每次工作时,聚焦位置不变,而超声波通过健康组织的位置却发生变化,同一部位健康组织受辐照时间也相对减少。3个换能器轮流发射的优点就在于在同样发射声压下,要对聚焦点获得相同的辐照量,每个换能器只需花费换能器系统所用发射时间的,这对健康组织而言,就意味着它们的受辐照时间减少了,那么同等条件下健康组织所受辐照量明显减小。
相信，本文提出的新型换能器的设计思想及讨论，为加快高强度聚焦超声治疗技术的发展提供了一定的理论基础。