高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)即是一种安全、无创非侵入的肿瘤治疗手段。不同于常规手术,HIFU不需要切开皮肤,声能可以穿过完整的皮肤和组织被送入靶区。利用声束聚焦的特性,能量主要集中在焦点附近,治疗靶区的声强可以达到1000 W/cm~2以上,使靶区组织温度升高产生凝固性坏死而不损伤周围组织。另外,不同于放射疗法,由于超声没有组织毒性,可以在需要时进行多次治疗。近年来,这种治疗技术成为医生、学者的研究热点。特别是磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)引导的相控聚焦超声,利用MRI对组织任意层面实时成像优势,医生可实时获取治疗区域三维温度分布信息。在成像速度够快情况下,医生还可获知靶区热剂量是否达到预期剂量以实时调整治疗计划,使治疗过程更安全可控。然而,HIFU与MRI的电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)问题一直是一个MRI引导HIFU热疗的技术难点。这是因为MRI设备与HIFU设备之间的以下几种相互干扰:1)强磁场影响HIFU设备——MRI设备运行时产生的静磁场会影响HIFU设备的铁磁性物质,特别是HIFU设备的机械移动装置;2)HIFU设备影响静磁场——HIFU设备如果有铁磁性部件处于MRI静磁场中,会对成像产生很强的影响,而且实验证明,即使是顺磁性(paramagnetic)物质处于MRI成像区域中,也会因电涡流对主磁场均一性产生影响;3)外来物体对MR的射频(Radio Frequency)干扰——HIFU设备在MRI房间内发发射的噪声无论发射源距离MRI设备有多远都会严重的影响MRI图像,特别是其信噪比;4)外来RF信号影响MR的增益放大器——当HIFU设备产生RF干扰时,连接在接收线圈上的增益放大器可能失谐。为了解决这些问题,本文一方面从降低干扰源入手,设计了使用高次谐波消除技术的功放;另一方面从控制污染传播途径入手,使用金属丝网屏蔽探头,减弱射频噪声从探头和连接探头的线缆向环境发射。本文重点分析了金属丝网屏蔽探头对HIFU声场的影响和电磁屏蔽效率。论文的主要内容如下:1)本文设计了一种使用谐波消除技术的全桥D类功放。不同于A类功放,D类功放有制造成本低,能量密度大和传输效率高的优点。而谐波消除技术可以有效降低功放输出波形的谐波成分,从而降低电磁干扰源强度。该技术的原理是对四个桥臂的控制信号分别进行相移,改变全桥输出波形从而改变能量在各次谐波上的分配。通过计算出合适的相移量,可以使得输出电压基波功率占总能量的百分比达到最大,从而达到谐波消除的目的。仿真和测量结果表明该方法可以有效减少功放输出的高次谐波,特别是在理论上可以完全消除B类功放输出信号中能量最大的三次谐波。使用这种方法的问题在于,由于单路功放需要控制四个桥臂,因此即使在功放电路中使用了反相器也至少需要普通功放两倍的驱动信号通道数。为此,本文为谐波消除技术设计了FPGA相位信号发生器,以满足多通道高速高精度输出驱动信号的需求。测量结果显示,信号发生电路可以满足谐波消除逆变电路的需求。2)使用屏蔽网覆盖探头表面时,由于网丝直径与超声在水中波长相差一个数量级以内,在计算HIFU声场分布时需要考虑网丝对超声的散射作用。针对声场在换能片到屏蔽网范围内有复杂的散射而在屏蔽网到焦区范围内简单这一特点,本文提出了一种k-space方法和DPSM(Distributed Point Source Method)结合的混合声场仿真方法。这种方法可以在保证一定的仿真准确性的前提下大幅缩短仿真时间。该仿真方法的一个假设是金属丝对声波的散射为刚性散射而非弹性散射,使用单根金属丝的声学散射理论模型可以验证两种散射的结果相差不大。这种混合声场仿真模型也可以应用在其他复杂形状刚性散射的计算之中。3)本文使用混合声场仿真方法对屏蔽网存在时的HIFU声场进行了仿真计算。单片换能片的声场仿真结果显示虽然由于网丝的散射屏蔽网附近产生了复杂的干涉图样,但因散射声场自身发散性的特点,焦平面处散射带来的影响已经非常微弱,因散射引起的干涉图样已经不可见。HIFU焦点处归一化声压分布并不会因为屏蔽网存在而改变。屏蔽网对声场的散射主要导致声场能量的损失,表现为焦点声强降低。本文分析了一些屏蔽网参数和系统工作参数与焦点声强衰减的关系,并进行了实验测量验证。结果表明,在换能盘敞口高度附近安装高度的误差并不会对焦点声强产生明显影响,电子控制焦点偏转也不会对屏蔽网的焦点声强衰减有影响;焦点声强衰减随屏蔽网网丝直径增大、网孔直径缩小和工作频率增大而而增大。本文也分析了声非线性传播存在时屏蔽网对HIFU声场的影响,结果显示由于单片换能片声源强度不大,声传播距离短,声束不汇聚,在屏蔽网处的非线性效应强可以忽略;经仿真和离体组织实验验证,在焦点附近是否考虑声非线性传播对屏蔽网对声场的影响并不大。4)本文使用了一种层阻抗(sheet-impedance)模型计算不同参数屏蔽网对平面电磁波入射的电磁屏蔽效率。结果显示网丝导电率对SE影响不大;网丝直径增大或者网孔孔径减小可以增大SE;屏蔽网的SE随噪声频率升高降低。之后,本文通过空间电磁辐射水平测量和MR图像采集验证了铜网屏蔽探头的电磁屏蔽效果并测量出使用三种屏蔽网屏蔽效果的差异。相比于无屏蔽,三种屏蔽网都可以有效的增强MR图像信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR),但是过于稀疏的屏蔽网对SNR的提升与其他屏蔽网相比有明显差距,这与理论计算结果相符。结合不同参数的屏蔽网对HIFU声强衰减的影响,研究者可以根据设备声强和屏蔽效果的需求优化选取合适参数的屏蔽网。本文的主要创新点总结如下:1.本文设计并制作了使用三次谐波消除技术的D类功放电路,并为之设计了相位信号发生器和控制系统。谐波消除功放有制造成本低、能量密度大和传输效率高的特点,满足相控聚焦超声技术的通道数量要求并且可以有效减少超声换能器驱动信号的谐波成分,具有一定的工程应用价值。2.针对屏蔽网存在时的换能器声场的特点,本文提出了k-space和DPSM结合的混合声场仿真方法。使用这种方法可以计算出屏蔽网对HIFU聚焦区域声压分布的影响和声强衰减的影响。混合声场方针方法也可以用于解决其他复杂形状散射体刚性散射并有较大声传播距离的问题,有较强的研究价值。3.本文验证了使用屏蔽网屏蔽HIFU探头可以不显著改变HIFU聚焦区域内声场。并且分析了声强衰减与金属丝网的尺寸参数、HIFU工作频率、丝网安装位置和焦点电子偏转位置(控制相位)等的关系。4.本文通过一种电磁屏蔽效率层阻抗计算模型不同屏蔽网对HIFU声场的影响和其电磁屏蔽效率,并且通过MRI图像信噪比进行验证。这些结论结合屏蔽网参数对声场的影响的结果,研究者根据系统的具体需求优化选择探头屏蔽网参数,具有很强的工程应用价值。