研究背景:高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)主要利用超声的热效应,使病变组织产生不可逆的凝固性坏死而不损伤周围正常组织,从而达到治疗疾病的目的。现应用于临床治疗的换能器多为单频凹球壳聚焦超声换能器,其声焦域(Acoustics Focal Region,AFR)为椭球形,轴向长度与横向长度之比通常在6以上,在临床治疗中存在病变组织周围的正常组织被损伤、皮肤烧伤等问题,使得治疗的安全性不能保证。因此,聚焦超声换能器声焦域轴向长度的合理设计是HIFU技术安全、有效治疗的前提条件。目的:传统单频凹球壳聚焦超声换能器在治疗横向薄层病变组织时容易损伤病变组织外的正常组织,这为治疗的安全性带来了很大的隐患。因此,为了提高HIFU在临床治疗过程中的安全性和有效性,压缩声焦域轴向长度有重要应用价值。方法:1.基于多频超声波叠加分析和声焦域轴向长度变化原理,本文提出了变厚度(多频)聚焦超声换能器,并设计凹球壳和声透镜变厚度聚焦超声换能器。2.根据瑞利积分原理推导变厚度换能器辐射声场的计算方程,在不同频差下,从理论上计算与分析两种类型变厚度换能器声焦域的轴向长度,并与等厚度换能器声焦域的轴向长度进行对比。此外,分析了空间某点处声压随时间变化情况。3.加工声透镜变厚度与等厚度换能器,并用水听器测量两种换能器的声场。此外,还与课题组前期的离体牛肝实验进行了对比讨论。结果:1.设计了凹球壳和声透镜变厚度换能器,推导了变厚度换能器声场的计算方程。2.凹球壳变厚度换能器数值仿真结果:频差分别为0kHz(等厚度)、50kHz、100kHz、150kHz、200kHz时,在-6dB下声焦域轴向长度分别为9.5mm、5.6mm、3.9mm、3.2mm、2.7mm,因此,在不同频差下,凹球壳变厚度换能器的声焦域轴向长度被压缩,随频差的增大而减小;在空间某点处声压随时间的变化波形不再是正(余)弦波形,但存在规律,有周期、最大值和最小值。3.声透镜变厚度换能器数值仿真结果:频差分别为0kHz(等厚度)、50kHz、100kHz、150kHz、200kHz时,在-6dB下声焦域轴向长度分别为15.7mm、7.1mm、4.4mm、3.5mm、2.9mm,因此,在不同频差下,声透镜变厚度换能器的声焦域轴向长度被压缩,随频差的增大而减小;空间中某点处声压随时间的变化结果与凹球壳变厚度结果相同。4.声透镜变厚度聚焦超声换能器的声场测量结果与课题组前期的离体牛肝损伤实验结果均表明,理论计算与实验结果相符。结论:1.设计了凹球壳和声透镜变厚度聚焦超声换能器,推导了变厚度聚焦超声换能器辐射声场的计算方程。2.凹球壳和声透镜变厚度聚焦换能器的数值仿真结果趋势相同。与等厚度聚焦换能器相比,变厚度聚焦换能器能有效压缩声焦域轴向长度,随频差的增大而减小;空间某点处声压随时间变化波形存在规律。3.声透镜变厚度换能器声场测量结果与课题组前期牛肝实验结果均表明理论与实验相符,证明了变厚度聚焦换能器声场计算方程的正确性。