Page 182 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 Vol. 43, No. 1
2024 年 1 月 Journal of Applied Acoustics January, 2024

⋄ 研究报告 ⋄

高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究 ∗

徐 慧 1 陈 思 1 幸柏成 1 单天琪 1,2 赵 渊 1,2†

(1 超声医学工程国家重点实验室 重庆医科大学生物医学工程学院 重庆 400016)
(2 超声医疗国家工程研究中心 重庆 401121)
摘要：为探究临床常用的 7 MHz 高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规
律问题，基于 Westervelt 方程和 Pennes 传热方程，使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性
热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异，然后在非线性模型下探究换能器
的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示：在 7 MHz 频率下，当换能器输出声功率超过 5 W 时，声波传播
的非线性效应不可忽视 (p < 0.05)；当声功率从 5 W 增大到 15 W 时，非线性模型与线性模型预测的温度偏差
从 20% 增加到 34.703%；高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著，基频能量向高次谐波转移的程度增
大，声功率为 10 W 和 15 W 时 4 次谐波与基波之比分别达到 7.33% 和 12.12%；高频换能器参数的改变对组织
中声场和温度场分布的影响较大，换能器焦距从 12 mm 减小到 11.2 mm，焦点处最高温度增加了 77%。结果
表明，7 MHz 聚焦超声的非线性声传播需要考虑到 4 次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可
为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。
关键词：高频聚焦超声；多层生物组织；温度场分布；非线性声学；换能器参数
中图法分类号: R318 文献标识码: A 文章编号: 1000-310X(2024)01-0178-12
DOI: 10.11684/j.issn.1000-310X.2024.01.021

Simulation study of high frequency focused ultrasound sound field and
temperature field

XU Hui 1 CHEN Si 1 XING Baicheng 1 SHAN Tianqi 1,2 ZHAO Yuan 1,2

(1 School of Biomedical Engineering, Chongqing Medical University, State Key Laboratory of Ultrasonic Medical Engineering,
Chongqing 400016, China)
(2 National Engineering Research Center of Ultrasonic Medicine, Chongqing 401121, China)

Abstract: This study aims to explore the sound propagation of 7 MHz high-frequency focused ultrasound
commonly used in clinical practice in multi-layer biological tissues and the law of biological heat transfer in
ms time. Based on the Westervelt equation and Pennes heat transfer equation, the nonlinear thermal viscous
acoustic propagation and heat transfer model of multi-layer tissues irradiated by high-frequency focused
ultrasound was established by the finite element method. Firstly, the difference between linear model and
nonlinear model are analyzed. Then the influence of the parameters of the transducer on the sound field and
temperature field is explored under the nonlinear model. The simulation results show that the nonlinear effect
of acoustic wave propagation can not be ignored when the output sound power of the transducer exceeds
5 W at 7 MHz frequency (p < 0.05). When the sound power increases from 5 W to 15 W, the nonlinear and linear

2022-08-31 收稿; 2022-11-07 定稿
国家自然科学基金青年科学基金项目 (62101083), 中国博士后科学基金项目 (2020M683260), 重庆市自然科学基金面上项目
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(cstc2021jcyj-msxmX0104, cstc2021jcyj-msxmX0739)
作者简介: 徐慧 (1998– ), 女, 湖北咸宁人, 硕士研究生, 研究方向: 影像引导精准治疗。
† 通信作者 E-mail: yuanzhao@cqmu.edu.cn