Page 53 - 《应用声学》2020年第3期

第 39 卷 第 3 期 郑维成等： 变厚度聚焦换能器对声焦域轴向长度影响的研究 373

in the middle and thick on both sides is shortened, the axial length of the acoustic focal region of the transducer
which is thick in the middle and thin on both sides becomes longer. The theoretical correctness is verified by
experiments. The research results can provide a reference for the research of sound field of variable thickness
focusing transducer and clinical treatment of HIFU.
Keywords: Variable thickness focusing transducer; Multi-frequency; The axial length of the acoustic focal
region; Non-uniform thickness

向长度，还能提高治疗效率，缩短治疗时间。考虑到
0 引言
HIFU 换能器的临床治疗频率在 1 MHz 左右，如果

高强度聚焦超声(High intensity focused ultra- 能够采用多频换能器的方法，并将中心频率控制在
sound, HIFU) 是一种近年来新兴的体外无创肿瘤 1 MHz 左右，这样既能改变声焦域轴向长度又不牺
治疗技术，其发展十分迅速 [1] 。传统的 HIFU 换能 牲超声波在组织中的穿透性。
器为单一频率模式，声焦域为椭球形，轴向长度是横 为改变声焦域轴向长度，本文提出了变厚度聚
向长度的几倍 (6 以上) [2−3] 。在临床治疗过程中发 焦换能器。基于瑞利积分法推导了变厚度聚焦换能
现，单频 HIFU 消融薄层病变组织时，由于声焦域轴 器声场的计算方法，从理论上详细地分析了变厚度
向长度过长，可能损伤到正常组织，而对于较厚的 聚焦换能器的声焦域轴向长度变化，通过离体牛肝
病变组织，因声焦域轴向长度较短，消融时间长，容 实验，对比分析理论及实验结果。
易增加周围正常组织损伤的风险 [4] 。因此，为提高
HIFU 在临床治疗过程中的安全性和有效性，针对 1 换能器的结构设计
不同厚度的病变组织，改变声焦域轴向长度有重要
张德俊 [11] 给出了单频聚焦换能器声焦域轴向
应用价值。
长度与超声波波长的关系，即与频率的关系，改变超
现有改变声焦域轴向长度的方法主要有提高
声频率能改变声焦域轴向长度。因此，对于多频聚
换能器工作频率 [2−3] 、优化换能器结构 [5] 和采用多
焦换能器而言，不同频率 (不同波长) 的声波在空间
频换能器 [6−7] 。目前，应用于临床治疗 HIFU 换能
中叠加后，由于波长的变化，也会导致声焦域轴向长
器的频率都在 1 MHz左右，提高换能器工作频率能
度的变化 [3,6−7] 。Li 等 [6] 前期证明了与单频聚焦换
使声焦域轴向长度变短，但这是以牺牲超声波对组
能器声焦域轴向长度相比，双频聚焦换能器声焦域
织的穿透性为代价的 [8] 。因此，有学者从换能器结
轴向长度变长。因此，在他们前期研究的基础上，本
构上入手，发现增加聚焦换能器的开口半径能够从
文提出了基于 1-3 型压电复合材料的变厚度聚焦换
一定程度上缩短声焦域轴向长度，但在实际应用中，
能器，并设计了两种类型变厚度聚焦换能器：图1(a)
开口半径过大会导致入射物体的声窗口增大，从而
为中间薄两边厚换能器，图 1(b) 为中间厚两边薄换
影响使用范围。20世纪 90年代以来，为提高治疗效
能器。以图 1(a) 为例，由于中间薄两边厚换能器上
率，国内外学者开始了双频或多频聚焦换能器的探
下表面均为凹球面，R 1 为上表面的曲率半径，r 1 为
究，利用双频产生的空化效应在治疗中达到增效的
下表面的曲率半径，d 1 为换能器直径，h 1 为换能器
目的 [9−10] 。Liu 等 [3] 在双频相控阵换能器对经颅
血脑屏障开放和脑药物输送的影响研究中，有涉及 中心厚度，H 1 为换能器边缘厚度，且曲率半径 R 1 与
双频聚焦换能器的声焦域轴向长度，Li 等 [6] 从理论 r 1 不同，因此，这是一种变厚度换能器，同时能实现
上系统性地分析了双频聚焦换能器的声焦域，两者 超声波聚焦。
结果均表明，与单频聚焦换能器声焦域轴向长度相 对于 1-3 型压电复合材料，其横向应力被聚合
比，双频聚焦换能器声焦域轴向长度变长。2011年， 物介质吸收，环氧树脂的剪切模量远小于压电相的
Ballard 等 [7] 研究了单频与多频激励对相控阵换能 剪切模量，各个 PZT 柱之间的相互耦合很小，因此，
器聚焦能力的影响，分析了单频与多频激励时换能 当1-3型压电复合材料制作成变厚度聚焦换能器时，
器的声场，结果表明，多频模式能够在声焦域处产生 可以认为它是由不同厚度的PZT柱组成，这些PZT
更多谐波，从而改善局部吸收，增强焦点处的治疗 柱可以独立的振动 [12−13] 。因此，本文提出的变厚
效果。由此表明，多频换能器不仅能改变声焦域轴 度聚焦换能器是多频聚焦换能器。