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416 2019 年 5 月

图 6 为基于图 4 的焦域面积的仿真值拟合曲 (2) 考虑剪切波的传播可以提高能量传输效率，
线。由图 6 可知，考虑剪切波的拟合值与仿真值之 但对焦点前移几乎没有影响。
间的和方差为 3.215，均方根为 0.8965，可决系数为 (3) 剪切波在颅骨处传播会导致颅骨内热沉积
0.9999；未考虑剪切波的拟合值与仿真值之间的和 相对增多。
方差为 64.01，均方根为 4，可决系数为0.9941。考虑 (4)幂指数函数形式拟合优度高，可预测不同聚
剪切波情况下，焦域面积的拟合值与仿真值之间的 焦角度换能器形成的焦域面积。
和方差更小，均方根更接近于0，确定系数更接近于 1。 综上所述，考虑剪切波的温度场的温升速度更
快，形成焦域面积更小且旁瓣数量更少，但颅骨处热
200
Ꮶᘽҝѭฉཥ۫᭧ሥ͌ᄾ 沉积更多。对于不同患者以及同一患者不同位置上
Ꮶᘽҝѭฉཥ۫᭧ሥલՌ 的肿瘤治疗时，应根据肿瘤位置与相控换能器之间
150 ళᏦᘽҝѭฉཥ۫᭧ሥ͌ᄾ
ళᏦᘽҝѭฉཥ۫᭧ሥલՌ 的相对位置以及肿瘤大小等，考虑剪切波对形成焦
ཥ۫᭧ሥ/mm 2 100 域的影响，以保障 HIFU 脑肿瘤治疗的有效性和安

全性。

50 5 讨论

将图 1 中的半球形换能器和头颅结构细化为
0
30 60 90 120 150
图 7 所示 x-z 与 y-z 平面图，设定顶骨部分为同心圆
ᐑཥᝈए/(O)
弧。聚焦角度 θ 在 30 ∼150 之间时，最大入射角度
◦
◦
图 6 不同聚焦角度换能器在几何焦点处聚焦形成的焦
λ max 为 8 ∼ 30 ，随聚焦角度增大，最大入射角
◦
◦
域面积拟合曲线
度增大，颅骨处相对温升减小且旁瓣减少。这与
Fig. 6 Focal domain area fitting curve formed by dif-
ferent focus angle transducers at geometric focus 2013 年 Narumi 等 [21] 通过改变超声波从水中入射
丙烯酸板的入射角度，提出的超声波入射角度在
4 结论 0∼ 34.3 时，随超声入射角度增大，剪切波透射率增
◦
加的结论一致。
本文基于半球形相控换能器经颅辐照模型，建
(1) 图 1 所示的 9∼193 阵元相控换能器数值仿
立了未考虑剪切波传播和考虑剪切波传播的两种
真模型中，当聚焦角度为 60 ∼ 90 时，超声最大入
◦
◦
经颅辐照的数值仿真模型，并对激励不同聚焦角
射角度为 8 ∼ 20 之间，剪切波对形成温度场的影
◦
◦
度阵元的情况下形成的温度场进行研究，得到以下
响不可忽略，这与文献[8]的单阵元换能器进行经颅
结果：
辐照所得结果不一致。
(1)随换能器聚焦角度 θ 减小，在几何焦点处形
(2) 本文基于人体真实颅骨 CT 和 256 阵元半
成的焦域面积逐渐增大，焦点前移程度越大，考虑剪
球形相控换能器，在最大入射角度为 8 ∼ 30 范围
◦
◦
切波形成的温度场达到65 C所需时间逐渐延长。
◦
内进行了研究，其研究结果与文献[14]结果相一致。
(2)在相同聚焦角度条件下，考虑剪切波的温度
(3) 本文利用最小二乘法对不同聚焦角度换能
场达65 C所需时间更短，旁瓣更少。
◦
器经颅聚焦形成焦域面积进行拟合时，出现与实际
(3)随换能器聚焦角度 θ 减小，考虑剪切波的模
不符的负数；选用反比例函数和幂指数函数法进行
型形成的焦域面积变化范围更大。
拟合时，幂指数函数形式拟合精度更高。
(4)经颅考虑剪切波情况下，焦域面积的仿真值 (4) 本研究采用一名志愿者头部 CT 数据建立
与拟合值之间的和方差更小，均方根更接近于 0，确 三维数值仿真模型，研究了剪切波对 HIFU 经颅聚
定系数更接近于1。 焦形成温度场影响。而不同患者的颅骨厚度、密度、
由上述结果得到如下结论： 曲率的差异很大，为了研究不同患者之间的差异性，
(1) 在输入功率和焦域最高温度相同的条件下， 下一步将导入多位志愿者的头颅 CT 数据进行相关
聚焦角度越小的换能器形成焦域越大，焦点前移距 数值仿真模型，通过统计的方法研究颅骨厚度、密
离越大。 度、曲率等对剪切波传播的影响。