生物医学工程学(BiomedicalEngineering，BME)是推动21世纪医学进步的一门新兴的朝阳科学，而医学超声工程学是BME的重要组成部分。医学超声工程主要包括诊断超声和治疗超声两个部分。本论文的研究工作将分属于这两个部分。其一是较详细介绍了血管弹性成像法的原理和研究现状，重点探讨了将超声散射作为非介入式新技术引入血管病变诊断领域的可能性。其二是研究高强聚焦超声(HIFU)换能器的声场、温度场以及其临床治疗剂量学。 本论文主要在如下三个方面取得了创新性成果。 1.探讨利用超声散射法诊断血管粥样硬化病变的可能性目前，临床上诊断血管粥样硬化病变尚无准确的方法。本文尝试将超声散射方法运用到非介入式的血管病变诊断领域。病变血管一般是几何形状不规则且各向异性的复合弯管，超声散射理论很难适用于这种情况，为此我们建立了简化的血管散射模型，即把血管等效为一根由内外两层媒质组成的直管，内外层媒质分别代表沉积斑和血管壁，管内外生物媒质均看成似流体。简化后，模型血管任一参数的变化对应于实际血管中相应参数平均值的变化。沉积斑厚度和血管壁弹性模量的变化表征血管的病变程度。 在血管超声散射简化模型的基础上，数值模拟了血管对垂直入射声波的散射场。在比较了血管病变程度对背向散射谱中各有关参数的影响之后，选定以背向散射声强积分(IBS)作为血管病变的定征参数，并对检测频段与血管的外半径和沉积斑弹性模量的关系作了探讨。研究表明，沉积斑厚度或血管弹性模量的增加均引起IBS的显著增加；血管外半径的增加将使得可选用的检测频段降低，而沉积斑弹性模量的增大则会使其升高。 2.研究HIFU换能器的声场和温度场利用HIFU无创‘切除’肿瘤是一种新兴疗法。研究HIFU换能器的声焦域以及热坏死体元(或称为“生物学焦域”)的形态具有非常重要的意义。 HIFU换能器的声场是本论文的重点研究内容之一。在线性模型下，对于确定的生物组织，一旦声场分布确定，空间各点的温度随时间变化的规律也就确定。我们选定JC型聚焦超声肿瘤治疗系统(重庆海扶公司)机型所用的环状HIFU换能器为研究对象，采用瑞利(Rayleigh)积分计算其声场分布。定义声场中声压3dB衰减空间区域为声焦域。模拟计算的结果表明，声焦域近似呈椭圆形。本文研究给出了设计参数(频率f,换能器外半径a2，曲率半径r)对声焦域形态参数k(k=l1/l2，l1和l2分别为声焦域的长短轴)的影响规律。 在声场研究的基础上，我们进而以声辐照为Pennes方程的热源项，并用差分法数值求解Pennes方程，得到HIFU的温度场分布。定义在靶点生物组织中温升30℃以上的空间区域为热坏死体元，因为这时靶点组织实际温度达65℃以上，短时间内足可使蛋白质发生急性热凝固性(necrosis)坏死。模拟结果表明，热坏死体元的形态亦呈近似的椭圆形。进而探讨了热坏死体元的体积和它的形态与辐照剂量参数(声强I，辐照时间t)之间的关系。温度的变化是由超声辐照引起的，因此声焦域和热坏死体元之间有着紧密的关系。我们研究比较了声焦域与热坏死体元之间的异同。另外，还研究了热坏死体元形态与换能器设计参数f与a2的关系。 3.研究HIFU治疗中的超声剂量学剂量是临床治疗方案中必须考虑的因素，它是HIFU治疗成败的关键。HIFU治疗中的剂量通常称为辐照剂量，由辐照时间和声强决定。通过大量的计算与比较表明，HIFU辐照剂量两个参数I与t对热效应贡献呈关系式It0.43=C，式中的常数C反映了热坏死体元的大小。这个关系式显示，声强和辐照时间对热坏死体元大小的贡献是不同的。例如，为获得体积增大一倍而形态接近的热坏死体元，单独变化声强，仅需增加一倍，而单独变化辐照时间，则需增加5倍。 聚焦超声肿瘤治疗系统实施肿瘤‘切除’时，是使热坏死体元由点到线、到面、再到体地对整个肿瘤扫描过程。一次单点辐照所成的热坏死体元，是切除整个肿瘤的基本单元。于是对热坏死体元的体积与辐照剂量的关系研究非常重要。我们对离体牛肝在5种不同声强辐照下，深度2cm处的热坏死体元体积随辐照时间的变化进行了模拟计算，并与实验比较。比较表明，辐照时间较短时，理论和实验符合较好，二者均呈线性增大；辐照时间增大时，实验值突然上跳超过理论值，呈非线性增大。实验值的这种变化可能来自于非线性效应以及空化效应的共同作用。但在整个辐照时间内，二者相差都在30％以内。此外，我们还数值模拟了同样超声发射剂量下，在离体牛肝不同深度(2cm，4cm，6cm)上产生的热坏死体元体积，与实验值符合较好。这说明，我们所采用的线性模型具有一定的合理性。尤其当辐照不太长的情况下，它可以比较准确地预估热坏死体元的体积大小。