高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗技术因其具有非侵入和可重复施治等特性已应用于乳腺癌、前列腺癌、子宫肌瘤等实体软组织肿瘤的临床治疗。在人体肝肿瘤、脑肿瘤等深部肿瘤HIFU治疗时,由于超声波传播的距离长且需要穿过具有强衰减的骨组织,使得超声能量大幅度衰减导致焦点能量不足以凝固性致死肿瘤组织,同时HIFU单次辐照形成的焦域体积较小,在治疗大体积肿瘤时所需治疗时间很长。具有HIFU治疗增效作用的超声微泡造影剂受到众多研究者的关注。研究目的HIFU治疗肝肿瘤、脑肿瘤等人体深部组织肿瘤时,由于到达治疗靶区能量不足,导致治疗时间过长或者无法致死肿瘤组织。利用超声波的空化效应的微泡造影剂可增效HIFU治疗效果。本文通过数值仿真研究气体初始体积分数、气泡初始半径、激励声压和激励频率对HIFU形成声压场的影响,为超声微泡造影剂增效HIFU在临床治疗中的应用提供有效的理论数据和参考依据。研究方法本研究以气液混合体和仿组织数值仿真模型为例,利用气液混合体内的声波传播方程和Keller气泡运动方程,在轴对称圆柱坐标系下通过时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)法和龙格-库塔(Runge-Kutta,RK)法数值仿真HIFU在含气泡水体中传播的声压场和气泡半径分布,分析讨论气体初始体积分数、气泡初始半径、激励声压和激励频率对HIFU形成声压场的影响。研究结果随着气体初始体积分数的增大,气液混合体内瞬时气泡半径的振幅无明显差异,气液混合体与纯水的交界处出现反射波且反射超声波的瞬时声压振幅逐渐增大;仿组织内气泡半径峰值逐渐减小;气液混合体和仿组织内焦点声压逐渐降低且焦点向换能器方向移动;当气泡初始半径大于气泡共振半径时,随着气泡初始半径的增大,气液混合体内瞬时气泡半径的振幅逐渐变小,气液混合体与纯水的交界处反射超声波的瞬时声压振幅逐渐减小;仿组织内气泡半径峰值先增大后减小,仿组织边界处的气泡半径振幅逐渐减小;气液混合体和仿组织内焦点声压逐渐升高且焦点向远离换能器方向移动;随着激励声压的增大,气液混合体内瞬时气泡半径振幅逐渐变大,气液混合体与纯水的交界处反射超声波的瞬时声压振幅逐渐增大,焦点声压与激励声压的比值先减小后增大;仿组织内焦点声压与激励声压的比值逐渐减小,当激励声压较低时,气泡半径的变化与声压变化规律几乎相一致,当激励声压增大到一定程度时,气泡振荡加剧,波动范围扩大;气液混合体和仿组织内焦点声压逐渐升高,焦点位置不变;当激励频率大于气泡共振频率时,随着激励频率的增大,气液混合体内瞬时气泡半径的振幅逐渐变小,气液混合体与纯水的交界处反射超声波的瞬时声压振幅逐渐减小;仿组织内气泡半径峰值和仿组织边界处气泡半径振幅逐渐减小;气液混合体和仿组织内焦点声压逐渐升高且焦点向远离换能器方向移动。研究结论微泡影响超声波传播,使超声强度衰减增大;气体初始体积分数越大,超声衰减越大,焦点位置发生偏移;当微泡初始半径和激励频率分别大于微泡共振半径和共振频率时,微泡初始半径和激励频率越大,微泡振荡越微弱,超声衰减越小,焦点位置发生偏移;激励声压越大,微泡振荡越剧烈,超声衰减越大,焦点位置不发生变化。