摘要
高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound, HIFU）作为一种新型的无创治疗手段，目前已经被广泛应用于临床肿瘤治疗等领域。空化作为 HIFU 治疗过程中一种非常重要的物理机制，能够影响HIFU焦点处的声学特性从而影响HIFU焦点处的产热特性。目前，对空化气泡的研究，大部分学者是针对单个气泡的动力学行为展开的，对多个气泡的动力学行为相关的理论研究还比较匮乏。因此，本研究针对空化泡群，考虑气泡与气泡之间的相互作用以及气泡与声场之间的相互作用，建立可以描述多个气泡动力学行为的模型，理论研究聚焦超声条件下空化泡群声学特性和产热特性。 理论方面，本研究结合有限差分方法（Finite Difference Time Do-main, FDTD）和龙格-库塔-费尔伯格（Runge-Kutta-Fehlberg, RKF）方法，通过耦合求解空化云中的非线性声波方程和气泡动力学方程，得到了空化区域的声场分布、时域声压变化和气泡半径随时间的变化，然后根据声压变化与气泡半径变化结果，数值计算并分析了聚焦超声条件下空化泡群的声学和产热特性。实验方面，本研究搭建了一套能够自发自收超声信号的实验系统，使用热电偶测量了大气泡环境中聚焦超声焦域处的温度变化，以及使用被动空化检测（Passive Cavitation Detection, PCD）设备获取大气泡溶液中的声学信号，对此声学信号进行频谱分析获取大气泡环境中的空化信息。本研究还对比了不同含气量的大气泡溶液中的声学和产热特性。采用上述理论计算方法和实验方法，本研究得到了以下结果： 首先，本研究对不同驱动声压条件下单个造影剂（Ultrasound Contrast Agent, UCA）微泡（Microbubble, MB）的动力学行为进行数值模拟研究。采用不同包膜 MB 动力学模型，包括 Hoff 模型， Chatterjee-Sarkar模型和线性化Marmottant模型。根据前人通过实验拟合得到的三种包膜 MB 动力学模型相关参数，基于上述三种包膜 MB动力学模型，数值计算了不同驱动声压条件下 MB 半径随时间的变化。本研究对比分析了三种模型在较大驱动声压下的动力学行为。结果表明，随着声压的增大，线性化 Marmottant模型的数值计算结果与另外两种模型的数值计算结果逐渐出现明显的差异。Hoff 模型和Chatterjee-Sarkar模型在气泡振幅上比较接近。 其次，本研究选择Hoff模型来描述MB溶液中MB的动力学行为。考虑多泡之间的相互作用，对单泡Hoff模型进行修正得到可以描述多泡动力学行为的包膜 MB 动力学模型。根据此模型数值计算了不同峰值负压（Peak Negative Pressure, PNP）和不同脉冲长度（Pulse Length, PL）的聚焦超声条件下 MB溶液中的声学特性以及产热特性。本研究对数值计算得到的时域声压信号进行频谱分析，提取超谐波信号和宽带噪声信号。对超谐波信号和宽带噪声信号进行时域积分计算，得到了 MB 溶液中的稳态空化剂量（Stable Cavitation Dose, SCD）和惯性空化剂量（Inertial Cavitation Dose, ICD）。数值计算结果表明，PNP = 0.23 MPa左右是诱发稳态空化的最佳声压，随着PNP的增大，SCD和ICD都增大，但是SCD的增强主要是因为ICD的增强导致的。本研究的数值计算结果还发现，200 ~ 400 μs是引起SonoVue微泡发生稳态空化发生的最佳PL，并且在较低的PNP下，随着PL的增大，惯性空化也增大，本研究数值模拟结果与已有的实验结果对比，得到了一致的趋势以及相同的特征。 最后，本研究针对聚焦超声条件下大气泡溶液中的声学特性和产热特性展开研究。实验方面，本研究使用不同脱气程度的雪碧溶液作为实验材料，分别使用热电偶和 PCD探头测量雪碧溶液中 FUS焦域处的温升和声学信号。热电偶测量结果表明，在聚焦超声焦域处，脱气 30分钟雪碧溶液、脱气 15分钟雪碧溶液以及未脱气雪碧溶液三种雪碧溶液中焦域处的温升呈下降趋势。PCD测量结果表明，脱气30分钟雪碧溶液中的SCD和ICD均大于脱气15分钟和未脱气雪碧溶液中的SCD和ICD，未脱气雪碧溶液中的SCD和ICD最小。然后本研究按照实验环境建立等比例数值计算模型，忽略环境中由高声压产生的非线性效应以及液体在声辐射力作用下发生流动等复杂条件，数值模拟了含有不同气泡数密度的溶液中平均声强和温升。温升数值计算结果表明，随着气泡数密度的降低，焦点温升逐渐增大，并且呈现出与实验结果一致的趋势。 本研究发现，不同尺寸的空化泡对声场有着不同的影响，小气泡例如几微米半径的空化泡能显著增强FUS声场强度，从而增强超声热效应；大气泡例如几十微米半径的空化泡会减弱FUS声场强度，从而削弱超声热效应。
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