Page 254 - 《应用声学》2025年第2期
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等 [14] 提出了一种利用点状且近似无质量的激光等
0 引言 离子体声源产生的宽带快速声脉冲来精确表征声
学超结构的方法。
高强度聚焦超声(High intensity focused ultra-
综上所述，HIFU 技术的发展涉及到了多种超
sound, HIFU) 技术是一种非侵入性治疗方法，它利
声换能器的设计、聚焦技术的研究以及在医学领域
用超声波的穿透性和聚焦性，将体外低能量的超声
的应用，这些研究和应用展示了 HIFU 技术在精准
波聚焦于体内病灶，在极短的时间内产生高温，从而
医疗和美容等方面的潜力 [15−16] 。
使靶区内的肿瘤组织发生凝固性坏死。这种技术在
在前人的工作中，HIFU 换能器的设计方案大
肿瘤治疗及其他临床领域展现出了巨大的潜力和
体如下：(1) 改良换能器。如使用分片发射换能器将
广阔的应用前景。
球状超声换能器划分为平行的多个独立发射片状
在 HIFU 技术的发展历史上，有多个重要的里
换能器，通过关闭发射声波经过肋骨位置的换能器
程碑。1954 年，McQueen 等 [1] 提出了 “轴锥镜” 透
进而避免对组织的损伤；或根据驻波聚焦原理，通过
镜，它能在光的传播轴线上形成线性聚焦，该理论
构建大型驻波超声换能器在内部空间中部分位置
在超声聚焦上的应用成为了 HIFU 技术的基础。之
实现聚焦；(2) 使用相控阵聚焦。该类 HIFU 换能器
后，Fry 等 [2] 对轴锥镜的辐射场进行了进一步的理
是通过电信号独立控制各个阵元，以达到预期的聚
论分析。1973 年，Burokhart 等 [3] 研制了声学聚焦
焦效果，而且聚焦位置灵活。这些方案都在一定程
用的轴锥镜透镜，它能在声波传播轴线上形成较长
度上解决了该问题。但从实际效果和方案的复杂程
的线性聚焦区。1979 年，Kossoff [4] 提出了凹面自聚
度考虑，仍需要进一步拉近聚焦位置并提高聚焦强
焦超声换能器的设计方案。1982年，Patterson等 [5]
度的方案。
研制了圆锥形透镜，它能在较大的聚焦区域内保持
超构材料是一类通过人工设计其内部结构来
较好的横向分辨率。1984 年，学者们研究了多种类
调控声波传播特性的复合材料，能够在亚波长的尺
型的超声相控阵换能器，并进行了医学实验。2002
度上对声波进行相位调制，实现声波的特定模式传
年，Wu 等 [6] 研发了组合式聚焦声透镜，能产生多 播。通过设计材料的微结构，声学超构材料能够对
达 9 个聚焦区域。2008 年，陈庆春等 [7] 研制了用于
声波的传播路径进行精确控制，实现声波的聚焦、反
泌尿系统治疗用 HIFU 换能器。2010 年，钱祖文 [8]
射、折射和弯曲等效果。故此该透镜的聚焦位置与
利用多针射频测温装置测量活体组织内的温度分 聚焦强度的效果与超构材料结构设计相关，即不同
布，发现温度梯度依赖于局部温度，温度越高，梯
的超构材料配置方式会产生不同的聚焦效果，因此
度越大。2018 年，张艳秋等 [9] 对剪切波经颅聚焦形 需要根据理论分析与仿真分析来确定超构材料的
成温度场进行了研究，发现随换能器聚焦角度减小， 合理配置从而得到更好的聚焦效果。
在几何焦点处形成的焦域面积逐渐增大。2019 年，
Cao 等 [10] 通过梯度指数超材料在波导中实现声波 1 理论与仿真分析
的不对称传输，理论上验证了通过该超材料能够有
为了更好地实现超声换能器的聚焦效果，需要
效地将声波转换为平面波。同年，Shi 等 [11] 研发了
在超声换能器设计前对超构材料透镜的聚焦原理
一种混合声学超材料，它作为超吸收体，能够有效
进行理论分析与仿真验证。
地吸收宽频带的低频声音。这种设计利用了声学超
材料的亚波长优势，为低频噪声控制提供了新的解 1.1 理论分析
决方案。2024 年，曹奇等 [12] 对 HIFU 治疗中换能 超构透镜聚焦原理如下：超声换能器的振源面
器驱动电功率变化机制及规律进行了研究，总结了 上的每个点都能够独立向外发射超声波。声波通过
关于焦域温度、声空化及组织损伤以及驱动电功率 超构材料时，由于在相同的厚度中声速不同，相位受
间的关系。2024 年，Pundir 等 [13] 研制了一种应用 到调控。合理调节超声波相位，可在某一点实现全
在100 kHz∼1 MHz 范围内适用的主动可编程声学 部或者多个振源点发射声波的 0 相位差，便可形成
超材料，并应用于声学透镜的构建。同年，Kaleris 振动加强点，即聚焦点。原理图如图1所示。
