高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是近年来在医疗领域新兴的超声学应用方向之一。本文提出三维数值方法计算强聚焦非线性声场,并系统性的研究肋骨对大张角换能器辐射的声场和温度场的分布影响,并提出有效地保护肋骨的模型,用以避免肋骨对声场聚焦的影响。本文第一章总结了相关文献,简要介绍了现在HIFU领域的治疗应用以及球冠型换能器辐射声场的研究历史和进展。第二章从流体基本方程开始,推导非线性Westervelt方程,并利用Spheroidal Beam Equation(SBE)模型在椭圆坐标系下用Fourier展开法求解非线性声场的谐波轴、径向分布情况。对比研究了大张角换能器和小张角换能器辐射声场的情况;不同辐射频率对大张角换能器聚焦效果的影响以及开孔对大张角聚焦效果的影响,并数值模拟了在分层组织中的强聚焦声场分布情况。在第三章,基于第二章的声场计算方法,扩展计算模型为三维,详细讨论了如何避免数值计算发散的方法,并讨了三维计算结果的有效性。在第四章中,强调了肋骨对非线性声场的影响,考虑开口口径的影响和声焦域非线性时域波形的分布。在第五章中,我们建立了更加详细的模型,引入三层人体组织,讨论了谐波和热沉积的空间分布情况,并给出了f-number调整的建议方案。第六章中,我们结合几何声学模型,给出一种简单有效的模型用以保护肋骨。本文研究了 HIFU应用中的声场和温度场分布情况的物理机理及数值计算方法,并详细推导了数值模拟方法。创新性地提出了三维SBE模型,和相应的声场分布论述,有助于HIFU在肝癌治疗中的理论研究和实际实践。