高强度超声波聚焦(HIFU)是一种现代肿瘤治疗技术,其通过对体内病灶区域的软组织进行高能量超声波照射,使软组织中的肿瘤细胞热凝固化后被杀死,从而治疗癌症。相比于传统的癌症治疗技术,HIFU治疗技术具有无创、无化学损伤、无副作用、安全性高等系列优势,已成为国内外的研究热点。然而,由于人体内组织介质不均匀,造成超声传播在体内不同部位声速与声阻抗不一致,最终导致超声在人体内聚焦成为亟待解决的难题。本文的主要研究工作是针对超声波在人体内的聚焦问题,提出了一套探针引导式相控阵超声聚焦方案,并研究设计出相应的原型机验证系统,旨在解决传统治疗技术在人体内聚焦难的问题。文章的具体研究内容和创新点体现在如下几个方面:1.提出了以探针为引导的超声聚焦方案:基本原理为在预聚焦位置设置一个带反馈的探针,系统利用探针反馈的超声波信号调整发射延时使所有路的超声波能够同时到达聚焦位置实现聚焦。相比于传统的聚焦技术,该方案的最大优势在于只需改变探针的位置然后重新调整系统参数来实现有限区域内任意位置的超声聚焦,无需改变整个发射装置的物理位置和结构。此外,采用探针反馈后,能消除超声传播对介质环境的要求,改善了传统的聚焦方式因人体内介质环境不同所带来的聚焦效果差的问题。2.建立了基于探针引导式的相控阵超声聚焦模型,并完成其理论计算和仿真:采用MATLAB软件建模并得到聚焦面处的声场分布图,计算出聚焦焦斑的长轴半径为4mm,短轴半径为0.7mm。该探针引导式相控阵超声聚焦的MATLAB仿真结果与理论设计相吻合,从而,验证了以探针为引导的超声聚焦方案正确可行。3.实现了所提聚焦方案的原型机设计,并完成聚焦效果测试:原型机主要由相控阵超声波发射装置与探针接收装置构成,超声发射的声信号由探针接收,探针反馈的超声波信号调整发射延时使所有路的超声波同时到达聚焦位置实现聚焦,再调整探针在焦点附近移动,测量焦域大小。测试结果表明,探针能引导聚焦;焦域长轴半径为4.2mm,短轴半径为0.75mm,该性能指标可以满足临床治疗需求。在本实验中,探针引导式相控阵超声已实现聚焦,且效果明显;声压近似呈轴对称分布,聚焦焦域的长轴半径为4.2mm,短轴半径为0.75mm,与MATLAB模拟仿真结果相吻合。这验证了以探针引导的相控阵高强度聚焦HIFU原型机的设计与实现的正确性,所测得聚焦焦域的大小达到了临床治疗的要求。未来,在采用该聚焦方案的HIFU治疗过程中,HIFU机将无需移动,直接把探针插在人体肿瘤处,即可实现聚焦,从而治疗肿瘤。