高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)凭借其非侵入性、无毒副作用和可重复治疗的优势日益受到研究者的关注,目前已经应用于乳腺癌、子宫肌瘤、前列腺癌和胰腺癌等实体软组织肿瘤的临床治疗。但在HIFU经颅治疗脑肿瘤时,由于颅骨的强声衰减性及非均质结构易引发焦点偏移、焦域变形、焦域温度过低和颅骨处烫伤等临床问题。这些问题的解决需要研发相控换能器及相控换能器阵元的驱动控制电路、相控换能器控制方法及其软件系统。利用Westervelt声波传播方程和Pennes生物热传导方程、时域有限差分法数值仿真HIFU脑肿瘤治疗形成的声压场和温度场,研究半球形相控换能器部分及全部阵元激励对形成焦域的影响及调控作用,并设计了与之相对应的相位、功率放大等硬件电路及用户界面软件。目的在HIFU相控换能器经颅治疗时,由于颅骨的强声衰减性和非均质结构可能导致各阵元发出的超声波经颅聚焦的衰减程度不一致、聚焦位置发生偏移、颅骨热损伤及焦域能量达不到治疗效果等问题的发生。近些年兴起的大开口半球形相控换能器凭借其最大化覆盖颅骨、超声能量最大化透过颅骨达到靶区,从而降低颅骨烫伤风险、可治疗深部脑肿瘤的优势日益受到研究者的关注,但半球形换能器存在调控范围小、浅表聚焦困难等问题;开口直径相对较小的球冠状换能器具有可治疗焦域可调控范围较大和可治疗较浅部脑肿瘤的特性,但存在易引发颅骨处热损伤的问题发生,是否能够利用这两种换能器的优势同时又可回避这两种换能器的不足进行HIFU治疗,是众多研究者的关注热点。本研究目的为在半球形相控换能器的基础上,研究部分阵元激励工作实现球冠状相控换能器聚焦的阵元选择及相控方法,在同一半球形换能器上实现球冠状换能器和半球形换能器的聚焦,扩大焦域的可调控范围;同时设计并制作驱动相控换能器阵元的相位控制、功率放大等硬件电路和用户界面软件,为HIFU经颅脑肿瘤治疗应用于临床提供技术方法和理论参考。方法本文以数值仿真量较小的开口直径125mm的176阵元小开口随机分布半球形相控换能器为例,与脑组织建立开颅HIFU治疗数值仿真模型,根据不同的肿瘤病变位置选取不同位置的部分阵元激励或全部阵元激励,在GPU并行运算平台上(容天SCS4450)利用CUDA C语言FDTD数值解析Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程,基于时间反转的数值拟合法数值仿真各阵元激励信号的相位信息,利用该阵元激励信号数值仿真HIFU开颅聚焦形成声压场及温度场,研究部分阵元激励、全部阵元激励形成焦域,在同一个半球形换能器上实现球冠状换能器和半球形换能器的聚焦特性及阵元选取特性。在此数值仿真的基础上,将176阵元小开口换能器开颅数值仿真模型的变化特性应用于开口直径300mm的256阵元半球形换能器经颅治疗数值仿真模型中,研究该换能器形成焦域特性,进而设计并搭建高输出功率、高精度的阵元相位控制及驱动硬件电路和用户界面控制软件系统。结果1.小开口176阵元半球形相控换能器开颅数值仿真模型(1)当在换能器基底处选取激励面积比小于22%的阵元激励工作时形成最高声压的焦点向换能器一侧前移;当激励面积比大于等于23%时在设定位置聚焦。(2)在换能器中规则/随机选取激励面积比23%的不同阵元区域在几何焦点处聚焦均形成了集中的可治疗焦域。(3)仅在换能器基底处选取激励面积比23%的阵元区域在偏离几何焦点距离较大处聚焦,部分激励出现散焦,且不能形成集中的可治疗焦域。(4)根据肿瘤的位置采用截面法和距离法选取激励阵元构成球冠状换能器,比全激励焦点处声压更高。2.大开口256阵元半球形相控换能器经颅数值仿真模型(1)当在256阵元换能器中选取激励面积小于22%的阵元聚焦时,同样存在焦点向换能器一侧前移情况;当激励面积比大于等于23%时在设定位置聚焦。(2)在相控换能器中随机选取激励面积比23%的不同阵元区域在几何焦点处聚焦,均在颅骨未出现明显温升的情况下形成了集中的可治疗焦域。(3)在相同辐照条件下,通过截面选取法、距离选取法选取换能器阵元进行激励面积比23%的部分激励在偏离几何焦点处聚焦,构成新的球冠状换能器,相对于全激励可实现颅骨处温度变化不大的情况下焦域温度更高的聚焦效果。通过讨论三维偏离几何焦点3mm-15mm(间隔3mm)及对以几何焦点为中心的正方体8个顶点方向三维偏离几何焦点9mm、6mm的进一步研究,确定部分激励可根据不同患者的肿瘤位置实现三维偏离几何焦点6mm的调控,可增大治疗焦域调控体积。3.256阵元相控换能器相位控制和驱动系统的设计与实现(1)基于FPGA主控芯片设计的10路相位控制模块可实现不同频率、不同占空比下5ns的粗相控延时和1ns的细相控延时。(2)基于E类功率放大电路的功率放大模块可稳定输出两通道电压峰峰值20.9V的正弦波信号。(3)基于Visual Studio设计的HIFU用户控制界面,可实现各阵元延时、幅值信息的实时导入/导出,并可实现两激励信号叠加的激励模式。(4)基于PZT-8压电陶瓷设计制作的256阵元随机分布相控换能器阵元阻抗在150Ω-500Ω之间波动,阵元谐振频率稳定在设定频率700kHz±1%。结论1.在半球形相控换能器选取大于等于23%激励面积进行相控聚焦时,可在设定焦点处聚焦。2.采用截面选取或距离选取阵元法可在半球形相控换能器上构成新的球冠状换能器,使肿瘤位于新声轴方向,实现球冠状换能器聚焦,开颅模型可增大3774 mm~3的可治疗焦域体积,经颅模型可增大4701mm~3的可治疗焦域体积。3.搭建的256阵元相控换能器相位控制和驱动系统,延时精度、输出功率和激励模式可满足HIFU经颅脑肿瘤临床治疗的需要。