Page 183 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 徐慧等： 高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究 179

models’ temperature deviation increases from 20% to 37.7%. The nonlinear behavior of the high-frequency
focused ultrasonic wave is more significant than that of the low frequency, and the degree of fundamental
frequency energy transfer to the higher harmonic increases. The ratio of the fourth harmonic to the fundamental
wave reaches 7.33% and 12.12% when the sound power is 10 W and 15 W, respectively. The change of the
high-frequency transducer’s parameters significantly impacts the distribution of the sound field and temperature
field in the tissue. The focal length of the transducer decreases from 12 mm to 11.2 mm, and the maximum
temperature at the focal point increases by 77%. The results show that the influence of the fourth harmonic
should be considered in the nonlinear propagation of 7 MHz focused ultrasound. The multi-layer tissue nonlinear
simulation model proposed in this paper can provide a theoretical reference for optimizing high-frequency
transducer parameters and formulating a safe and effective preoperative treatment plan.
Keywords: High frequency focused ultrasound; Multilayer biological organization; Temperature field distri-
bution; Nonlinear acoustics; Transducer parameters

0.75 ∼ 1.05 J；工作时间：25 ∼ 40 ms)，临床实验结
0 引言
果表明，FU 是一种安全有效的面部皮肤紧致方法。
聚焦超声 (Focused ultrasound, FU) 作为一种 但是该研究缺乏理论仿真指导，无法优化换能器以
极具潜力的非侵入式肿瘤治疗技术，在临床治疗和 及治疗参数，治疗效果和治疗的安全性有待进一步
科学研究中得到了广泛的关注 [1−2] 。其原理是利用 提高。宿慧丹等 [12] 通过有限元仿真方法模拟了高
聚焦于组织内部的高强度超声产生的热效应使焦 强度聚焦超声 (High intensity focused ultrasound,
域组织温度短时间升至 60 C 以上，使组织发生热 HIFU) 焦域的声场和温度场分布，并讨论了换能器
◦
凝固坏死，而焦域以外组织无明显损伤 [3] 。由于超 参数对焦域温度分布的影响。但是未考虑声波非
声具有很好的组织穿透性和热沉积性，FU 已被证 线性传播和组织热黏性对温度场的影响，温度估
实对骨肿瘤 [4] 、子宫肌瘤 [5] 、肝癌 [6] 、胰腺癌 [7] 、乳 计不够精确。Haddadi等 [13] 以中心频率为1.1 MHz
腺癌 [8] 等实体肿瘤疾病有较好的治疗效果。近年 的聚焦换能器、输入功率为 8.3 ∼ 134 W 为研究范

来，随着超声和换能器技术的发展，FU 的频率已经 围，建立了 FU 作用于肝组织的非线性热黏性仿真
向 7 MHz 甚至更高频率拓展，高频 FU 在妇科和皮 模型。但是该模型只考虑了肝脏和水两种介质，未
肤科等领域展示出巨大的应用潜力。一项 2015 年 考虑皮肤对声场传播的影响。Mortazavi等 [14] 建立
的临床实验结果表明，高频 FU 是一种安全、有效、 了中心频率为 4 MHz、曲率半径为 8.6 mm 的聚焦
复发率低的治疗外阴非肿瘤性上皮病变的方法 [9] 。 换能器作用于多层组织的非线性声传播模型。到目
2009 年，高频 FU 设备被 FDA 批准用于皮肤美容 前为止，还没有临床常用的 7 MHz 高频 FU 辐照多
受到了广泛关注。高频 FU 通过利用各种换能器在 层组织的非线性热黏性声传播及传热模型的相关
所需深度形成微损伤，破坏胶原蛋白，使新的组织 报道。
形成和胶原蛋白再生，从而达到皮肤紧致和提升的 前人的数值仿真研究中 [13,15] 大多以肝脏作为
目的 [10] 。2016年，Werschler等 [10] 为评估定制的可 目标组织，并只考虑了水和软组织两层结构，使用
视化微 FU 治疗对于紧致人体面部和颈部组织的有 的换能器频率为 1 MHz，聚焦深度较深。高频 FU
效性和安全性，使用中心频率 7 MHz、焦深分别为 的不同之处在于：(1) 换能器中心频率高、曲率半径
3 mm 和 4.5 mm 的换能器对实验者进行治疗。实 短、超声在多层复杂组织中传播受到的影响较大，
验结果表明，90% ∼ 100%的患者均有明显改善，其 声传播方式较为复杂；(2) 消融所需时间短，焦域在
中 79% 患者面部松弛得到了改善，58% 的患者皱纹 毫秒级的时间内即可达到凝固性坏死所需温度，达
减少以及47%的患者皮肤变光滑。 到消融的目的。这使得常规 FU 消融研究中建立的
Alam等 [11] 为评估 FU紧致面部皮肤治疗方法 线性声传播及生物传热理论无法真实反映高频 FU
的安全性和有效性，使用中心频率为 7 MHz、焦 在多层组织中的声传播以及诱导产生的生物传热。
深为 4.5 mm 和 3 mm 的聚焦换能器对受试者的 在高频率、高强度时，非线性波的传播等因素会导
前额、太阳穴、脸颊进行治疗 (工作参数为能量： 致波形失真，非线性效应会产生高次谐波。由于组