HIFU技术中聚焦超声换能器的研究

　　(一)引言

　　高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound简称HIFU)技术起源于20世纪40年代，其基本原理如图1所示，是通过一定的方式使超声波透过体表后聚集在病灶组织上，经过细胞与超声的相互作用，在病灶组织内产生不可逆转的凝固性坏死，从而达到治疗目的。该技术以其无创、无害、安全、有效等优势得到了国内外许多学者、医生及广大患者的重视和关注。目前，HIFU 技术已在泌尿学、肿瘤学、神经外科、妇科、眼科等医学领域中被广泛应用和推广。

　　(二)聚焦超声换能器

　　HIFU技术的核心器件是超声聚焦换能器，它的任务是将电信号转换为超声波信号，并通过一定的方式使超声能量高度集中在病灶部位，形成很高的聚焦超声能量以达到消除病灶的目的。HIFU技术的应用对象是有生命的活体，治疗过程中要利用高强度超声能量消除病灶，但更重要的是要保证治疗对象的安全性，所以实现超声能量精准聚焦即超声换能器的聚焦特性是HIFU技术治疗的关键。

　　常用的超声换能器一般都是用压电陶瓷、压电复合材料等制成，这些材料具有压电效应和逆压电效应，能够实现声能与电能的转换，是超声换能器的功能部件。与光学聚焦原理相类比，实现超声波聚焦有三种方式：凹球面自聚焦、反射镜聚焦、声透镜聚焦，聚集原理如图2所示。

　　这三种超声换能器都能在一定条件下实现超声能量的聚焦。凹球面自聚焦是主动式声聚焦，声透镜聚焦是辅助式的声聚焦，而反射式聚焦则是被动式的。近年来，研究人员将多个小压电陶瓷片镶嵌在一起，通过电子调相，将电子聚焦与声学聚焦结合在一起实现超声聚焦，此类聚焦称为电子相控聚焦。

　　在高强度超声技术中多采用凹球面自聚焦、声透镜聚焦和电子相控阵等方式聚焦。凹球面自聚焦换能器的优点是可以根据病灶的不同深度进行调整，工作时一般采用机械扫描方式，是一种简单而常被采用的聚焦换能器。声透镜聚焦系统可根据临床需求实现焦距的变化，在声源尺寸要求较小和浅表性病灶情况下具有优势。相控阵聚焦换能器是通过电子调相，利用超声波换能器阵列探头来实现超声聚焦，优点是不需要机械移动、扫描速度快、，精确度高，而且可以根据肿瘤的大小和位置来设定聚焦方式，在临床治疗中有很强的实用价值;缺点是电子控制线路庞大而复杂，在一定程度上限制了其发展与应用。

　　(三)对聚焦换能器的技术改进

　　1.聚焦方式的研究与改进

　　(1)平面环形阵列换能器。在圆形活塞源中心挖掉一个同心的小圆形区，就形成了环形平面声源。环形平面声源在空间任意点产生的声压可看成一个环的外径所围的正圆形平面活塞源和一个环的内径所围的负圆形平面活塞源在该点产生的声压叠加的结果。当多个圆环同时激励时，各个圆在声轴上某点产生的声压会有相位差异。根据各圆环在声轴上某点产生的声压的相位，就可计算出各环上所加电激励信号所需的延时，使得各环在该点产生的声压同相，即可在该点实现超声聚焦。