目的：高强度聚焦超声(High-intensity Focused Ultrasound, HIFU)治疗技术具有非侵入性、微创伤等优点,已成为众多研究者关注和研究的热点,并应用于体外冲击波碎石疗法(Extracorporeal shock wave lithotripisy, ESWL)、HIFU肿瘤治疗等临床治疗之中。但这些治疗中都有可能引发并发症,如体外冲击波碎石治疗中可能出现尿血、肾血肿、肾破裂等,HIFU肿瘤治疗中可能引起皮肤烧伤、神经损伤等对人体正常组织的伤害。影响HIFU疗法疗效和引发这些并发症的主要因素之一为高强度超声波聚焦传播过程中,在人体内形成的焦点区域位置、形状、大小、声压分布和焦点前浅层区域能量分布。研究HIFU治疗中形成的焦点区域、能量密度分布及人体组织对焦点区域声压、实际形成焦点位置的影响,为ESWL治疗计划的制定提供理论依据；研究降低焦点前非靶区能量密度和提高聚焦效率的聚焦方法,为目前ESWL治疗、HIFU肿瘤治疗中对人体正常组织伤害的解决提供新途径和方法。方法：森田长吉等人提出了时域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)超声波非线性传播的仿真方法,并以Reichenberger的ESWL水中实验为例,对水体内高强度超声波非线性传播进行了仿真研究,得到了与实验测得波形完全一致的仿真结果。本论文利用森田长吉等人提出的高强度超声波非线性传播的FDTD仿真方法,以Reichenberger的ESWL水中实验为例,(1)参照实际人体组织结构建立单一人体组织和复合人体组织仿真模型,研究ESWL治疗过程中超声波在人体组织内非线性传播特性和人体组织对超声波聚焦传播所形成的焦点区域位置、大小、形状、声压分布影响。(2)研究解决ESWL治疗和HIFU肿瘤治疗过程中并发症问题,应用FDTD仿真的方法,研究并提出一种可以减小浅层区域能量密度和提高超声能量向焦点聚焦效果的新型相位控制圆环状聚焦方法。结果：1.以Reichenberger的ESWL水中实验为例,建立水体仿真模型进行仿真,仿真得到ESWL治疗中在三维空间上所形成的焦点区域近似为橄榄球体,但其所形成的焦距(最大声压位置)与设备的几何焦距并不一致。2.在Reichenberger水体实验仿真模型的基础上,加一定厚度人体脂肪或肌肉组织建立仿真模型,讨论不同厚度的不同人体组织对所形成焦点区域、最大声压、焦距的影响。仿真结果表明,最大声压随脂肪厚度增厚而增大,随肌肉增厚而减小；焦距随人体脂肪和肌肉厚度增加而减小；形成的橄榄球体状焦点区域的长、短轴长度随脂肪厚度的增厚变小,随肌肉厚度增厚长轴增大,短轴变化不大。3.参照ESWL临床治疗时B超图像显示的人体结构层次及厚度,建立包括皮下脂肪、肌肉、肾周脂肪、肾脏的复合人体组织仿真模型,数值仿真ESWL治疗过程中超声波非线性传播过程。仿真结果为焦距为118.94mm,其值小于几何焦距120mm,最大声压34.19MPa,其值小于水中实测声压44.56MPa。4.提出新型相位控制环状聚焦方法,其FDTD方法数值仿真结果表明,在阵列阵元相同条件下,圆环聚集法在焦点处获得的最大能量密度比相控点聚焦法高大约30%,但焦点前的非靶区域的最大能量密度相同；如在焦点处获得的最大能量密度相同的条件下,圆环聚集法在焦点前的断面上的最大能量密度比点聚焦下降大约10%。结论：本论文的仿真研究是以Reichenberger水中实验为例建立水体模型和含有人体组织的模型,利用FDTD法数值仿真法研究了高强度聚焦超声治疗过程中的所形成焦点区域以及最大声压、焦点位置,焦点区域的大小以及随人体组织厚度变化的规律,为ESWL临床治疗计划的制定提供理论依据；同时提出了一种可以降低焦点前非靶区能量密度和提高聚焦效率的圆环状聚焦方法,改聚焦方法的提出为目前ESWL治疗、HIFU肿瘤治疗中对人体正常组织伤害的解决提供新途径和方法。本研究建立的仿真模型,仅以规则无方向性差异组织的设定条件下进行仿真研究,与实际人体组织结构、组织的特性仍有一定差异,实际人体组织结构、组织特性的三维模型有待进一步仿真研究。