高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)经颅治疗脑部疾病因其非侵入性、可重复施治等特性受到众多研究者的关注,现已用于脑肿瘤及其他神经系统疾病治疗的临床试验。由于治疗中焦域温度很难控制及颅骨的个体差异性等原因引发严重并发症或者导致治疗失败。为解决这些临床问题,有必要研究焦域温度分布、治疗焦域形状体积的调控方法和头颅的结构参数及声学参数对HIFU经颅聚焦效果的影响因素。目的在HIFU经颅治疗脑部疾病的过程中,由于焦域温度控制及颅骨的个体差异性等导致温度过低达不到治疗目的或温度过高引发严重并发症等临床问题。本研究采用两个拟聚焦目标点获取的激励信号叠加激励换能器阵元的方法,通过信号相位和幅值调控实现HIFU焦域温度均匀分布,实现对焦域形状和体积大小的调控;同时利用32名志愿者头部CT数据分别建立数值仿真模型,数值仿真结合统计的方法研究分析颅骨曲率半径、厚度及密度对HIFU经颅聚焦产生的影响,为安全有效的HIFU临床治疗脑肿瘤方案的制定、治疗途径规划提供理论方法及参考依据。方法本研究基于人体头部CT扫描数据,结合82阵元随机分布相控换能器建立数值仿真模型,利用时域有限差分法对HIFU聚焦的声压场和温度场进行数值仿真计算。对比分析时间反转与自相关互相关结合法以及焦点声压与自相关互相关结合法获取聚焦于两个设定目标点的换能器阵元激励信号对聚焦效果的影响,从中筛选出应用于HIFU脑肿瘤治疗焦域调控的阵元激励信号获取的方法;通过对两个目标点的激励信号叠加激励换能器阵元形成温度场影响因素的分析研究实现HIFU焦域温度分布及焦域形状、体积大小调控的参数和方法。基于32例人体头颅CT数据分别建立数值仿真模型,在该模型下通过数值仿真与统计分析相结合的方法研究颅骨外形参数、声学参数与HIFU经颅聚焦效果的相关性。结果(1)在开颅状态下,通过调节两个拟聚焦目标点的激励信号的触发延迟时间和幅值比例系数,可在该两点距离7.5~12.5 mm范围内实现声轴方向上的平台式均匀焦域温度分布(温差≤1°C),形成的可治疗焦域体积可在30.1~71.6 mm~3范围内进行调控;在垂直声轴方向上可在两目标点间距离2.0~3.0 mm范围内调控实现平台式均匀焦域温度分布,形成的可治疗焦域体积可在58.7~201.8 mm~3范围内调控。(2)在HIFU经颅聚焦状态下,焦点声压结合自相关互相关法获取相控换能器阵元激励信号可提升焦点处温升;在考虑声窗内颅骨平均厚度和平均衰减系数的基础上可通过双激励信号的触发延迟时间和幅值比例系数的调控实现两目标点间距离在7.5~12.5 mm范围内的声轴方向上焦域平台式均匀温度分布,形成的可治疗焦域体积可在26.8~95.3 mm~3范围内调控;垂直声轴方向上可实现两目标点间距离在2.0~3.0 mm范围内的焦域平台式均匀温度分布和焦域形状的调控,形成可治疗焦域体积可在88.0~226.7 mm~3范围内调控。(3)焦域声压结合自相关互相关法在降低骨焦比方面显著优于时间反转结合自相关互相关法;声压骨焦比随颅骨曲率半径及颅骨厚度增大而增大。(4)基于32名志愿者头部CT数据的焦点声压结合自相关互相关法聚焦的焦点声压显著高于时间反转结合自相关互相关法,声压骨焦比显著低于时间反转结合自相关互相关法;声压骨焦比分别与颅骨曲率半径、平均厚度正相关,颅骨的平均密度与平均厚度间存在相关性;随着辐照功率增大,声压骨焦比降低但变化很小,随着设定焦距增大,声压骨焦比减小。结论(1)焦点声压结合自相关互相关法获取激励信号聚焦比时间反转结合自相关互相关法有更好的聚焦效果。(2)利用双激励信号叠加法,通过调控两信号的触发延迟时间和幅值比例系数可以实现声轴方向上和垂直声轴方向上焦域温度均匀分布,同时可对焦域形状和体积进行调控。(3)影响HIFU经颅聚焦效果的因素有颅骨的曲率半径、声窗内颅骨平均厚度。本研究通过数值仿真研究了调控HIFU经颅聚焦焦域温度分布及焦域形状、体积大小的调控方法,实现了焦域温度均匀分布,并统计分析了颅骨外形尺寸、声学参数及超声辐照参数对HIFU经颅聚焦效果的影响,为临床HIFU脑肿瘤治疗方案、治疗计划制定提供理论方法及理论数据。