Page 191 - 《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 187

F数从0.652减小到0.6时，焦长从0.825 mm减小到 频率为 1 MHz 的换能器，Solovchuk等 [26] 的仿真结
0.638 mm，焦域面积减小，声能量密度增大，焦点温 果表明，当输入声功率超过 112 W 时，非线性效应
度升高。 不可忽视。临床常用治疗肿瘤的换能器中心频率为
1 MHz，激励声功率为 140 ∼ 200 W [27] 。在这种工
3.6 辐照时间对温度场的影响
作情况下，非线性效应是不可忽略的。对于 4 MHz
在换能器曲率半径为 12 mm、开口直径为
的换能器，Mortazavi 等 [14] 使用 t 检验方法对线性
20 mm、激励声功率为 10 W 时，探究辐照时间对温
和非线性模型的声压和温度分布差异进行了分析，
度分布的影响，计算辐照时间为5 ms、10 ms、20 ms
结果表明当声强超过8 W/cm 时，需要考虑非线性
2
时，组织沿轴向的温度分布，结果如图12(a)所示。
效应的影响。而对于中心频率为 7 MHz 的换能器，
随着辐照时间的增加，3 层组织的最高温度均
并未有研究对其线性与非线性的差异进行讨论。且
升高，尤其焦点处的温升最显著，焦点的最高温度分
通过查阅文献发现，考虑到当前临床用于皮肤紧致
别达到 61.6 C、82 C 和 120 C。此外，在 10 ms 内
◦
◦
◦
的 7 MHz 换能器的电脉冲能量为 0.75 ∼ 1.05 J，脉
绘制了组织温升随时间的变化曲线 (图 12(b))。在
宽为 25 ∼ 40 ms [11] ，按照功率型压电陶瓷电声转
激励声功率为 10 W 时，随着辐照时间的增加，焦点
化效率 50% ∼ 60% [28] 估计换能器输出的声功率在
处的最高温度几乎呈线性增加。
13 ∼ 18 W之间。本文首先对比了线性模型和非线
性模型之间的差异，表 3 表明当换能器输出声功率
120 20 ms
10 ms 大于 5 W 时，声波传播的非线性效应就不可忽视；
5 ms
100 此外，与 Mortazavi 等 [14] 研究 4 MHz FU 的非线性
ພए/C 80 效应只需考虑 2 次谐波对声场和温度场的影响不
同，7 MHz 比 4 MHz 超声具有更小的焦点，导致焦
60 点处声传播的非线性效应更加明显，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
40
6 8 10 12 14 16 12.12%(表4)，因此本文在研究7 MHz FU非线性对
ᣉՔᡰሏ/mm 温升的影响时，需考虑至 4 次谐波对声场和温度场
(a) ພएᣉՔѬ࣋
的影响。表5 的结果表明，随着输入功率的增加，声
100
波传播的非线性效应更加显著，基频能量向高次谐
波转移的程度增大，高次谐波成分更易被组织所吸
80 收，转化为热能。当声功率从 5 W 增大到 15 W 时，
ཥགພए/C 60 非线性模型与线性模型预测的温度偏差从 20% 增

加到37.7%。总之，以上结果均表明在非线性模型下
探究换能器的参数对声压场和温度场的影响是必
要的。
40
0 2 4 6 8 10 图 10 和图 11 表明在高频下，微小的换能器的
௑ᫎ/ms
参数变化会显著影响焦点温升，如图 10 所示，换能
(b) ҫབྷ10 msཥགພएԫӑ
器焦距从 12 mm 减小到 11.2 mm (减小 4%)，焦点
图 12 温度轴向分布和焦点温度变化
处的最高温度增加了 77%。因此在设计高频 FU 换
Fig. 12 Temperature axial distribution and focal
能器时，可以根据本研究提出的模型，调整优化换能
temperature variation
器参数，以达到更好的治疗效果。图 9 和图 12 表明
4 讨论 输入参数 (声功率、辐照时间) 的改变对组织中声场
和温度场分布的影响较大，选择合适的参数可以提
明晰浅表组织内声场和温度场的分布对高频 高治疗效率。因此在治疗的过程中，有必要依据理
FU 在浅表组织中的应用发展至关重要。对于中心 论仿真选择合适的治疗参数，以提高治疗的安全性