聚焦超声消融手术（focused ultrasound ablation surgery,FUAS）能治疗多种良恶性肿瘤,具有非侵入、无电磁辐射、副作用小、可重复治疗等特点,符合手术向微无创发展的潮流,但仍然存在一些问题有待解决和探索。首先,生物组织的个体化差异、自身非均匀性等因素影响FUAS疗效,现有的超声影像灵敏性、特异性较低,难以定量监控FUAS的治疗过程。同时,高强度辐照使焦域处生物组织产生的显著的声辐射力和剧烈空化现象。声辐射力使生物组织发生形变和位移,而气泡的破裂导致局部高温、高压和高速微射流等复杂物理效应,形成了新型机械损伤（如生物组织的粉碎）。为有效解决FUAS治疗中的监控问题,本课题研究了高强度聚焦超声在焦域处的机械响应和声空化的主导物理机制与特性;提出了基于USVA（ultrasound-stimulated-vibro-acoustography）信号监控FUAS治疗的方法;建立了生物组织的粘弹性评估模型,评估与生物组织的粘弹性相关联的声速、声吸收系数,可望通过反演生物组织声学参数预测凝固性坏死的过程与尺寸;通过声空化、微射流冲击和速度反演模型,定量评估FUAS过程中的机械损伤。首先,介绍了FUAS治疗中的热、机械和生物学效应,阐释了面临的挑战和困难,凝练出研究主题:（1）生物组织机械响应的理论模型,及其与USVA信号特性的关系;（2）生物组织粘弹性与声速、声吸收系数空间分布的相关性及反演方法;（3）近固界面处声空化效应产生的空蚀与微射流的定量关系。其次,将描述媒质粘弹性的Voigt模型与流体运动的Navier-Stokes方程结合,获得声辐射力与生物组织位移场的关系;在k空间求解后,得到的粘弹性媒质中纵波位移场的Green函数,与声辐射力进行时空卷积获得生物组织机械响应的纵波位移场,阐释USVA声源的形成机制。在双频共聚焦超声辐射系统中,研究了焦域处声辐射力场的特性,构建与谐波相关的动态声辐射力计算模型。对比分析两种换能器结构（I:等辐射面积,II:8球缺）的辐射性能（如各次谐频声辐射力场的动态性、径向宽度、纵向深度和旁瓣分布）。仿真和测量结果表明,8球缺结构有局部分布的声辐射力。并且,非线性特性参数、衰减特性参数分别与基频声辐射力、二次谐频声辐射力最大幅度成正比,线性聚焦增益越大,基波和二次谐波声辐射力的主瓣越尖锐,声辐射力空间分布较小,非线性特性参数变化对温升影响较衰减特性参数、线性聚焦增益大,而机械指数变化无明显差异。另外,基频和各次谐频声辐射力最大值、最大辐照时间（热指数限制范围内）、机械指数MI与中心频率分别成正比、反比（近似呈指数衰减）和反比关系,而谐波声辐射力的径向宽度和纵向深度与中心频率无关。频差对各次谐波对应的声辐射力场纵向深度、径向宽度、最大幅度、辐照时间（温升不超过1℃）、机械指数影响较小。第三,分析了USVA声源的位移场,发现一维线源、二维面源、三维体积源与脉冲空间点源之间都存在线性叠加关系;验证了来源于参量阵、非线性散射效应的差频信号对USVA声场的干扰较小,可忽略不计。接着,通过Rayleigh积分构建了三维USVA声源的辐射声场模型,分析了媒质弹性模量、USVA声源几何尺寸和非线性特性参数对USVA辐射声场的影响;验证了通过USVA信号幅度与生物组织弹性模量间的关系,监控FUAS治疗的可行性;定量分析了在非线性特性参数下,监控FUAS治疗的空间分辨率和信噪比。因此,当增大辐照强度和减小辐照时间,在不发生过度治疗时,可提高USVA信号的信噪比和监控FUAS疗效的灵敏性。第四,将Voigt粘弹性模型与Navier-Stokes方程结合获得的频域Helmholtz方程,构建生物组织粘弹性反演模型,并根据复数模量中的存在的Kramers-Kronig关系式,构建与粘弹性相关联的生物组织的声速、声吸系数的评估模型。通过压缩模量（粘度）的对比度、对比度转移效率、对比度噪声比（contrast-to-noise ratio,CNR）和根均方误差（root mean square error,RMSE）等指标评估反演模型的性能。在频率为10-100 k Hz时的反演结果表明,声速、声吸收系数反演结果与真实值之间的误差较小;在较低的频率下,声速-频率之间的色散效应可忽略,真实和反演得出的声吸收系数-频率依赖函数关系分别为:a（f）=0.11 f1.9和a（f）=0.12 f1.9。此外,探索了有限空间分布力源的衍射效应对反演结果的影响,结果表明衍射效应仅影响位移传播,而不影响粘弹性的评估结果,即因生物组织非均匀分布和个性化差异导致的力源分布变化不会影响基于生物组织粘弹性参数监控FUAS治疗的性能。第五,在极高聚焦增益的球形腔聚焦超声换能器中对各向同性的金属铜片进行空蚀实验,通过构建不同静水压力下的空化阈值、超声作用下的微射流速度分布模型,在（1）忽略空化泡间的融合对空化泡坍塌的影响和（2）微射流的尺寸等于最大气泡尺寸且不受重力和浮力的影响时,确定空化阈值、空化泡初始半径和微射流速度。将非线性传播的Westervelt方程和高应变速率的J-C（Johnson-Cook）本构模型结合,构建多空化泡作用条件下的微射流冲击模型以描述空蚀,并提出了一种微射流的连续冲击模式,用等效作用时间代替微射流的多个脉冲作用时间。分析空蚀坑的形貌特征,静水压力3、6和10 MPa对应的空蚀坑深相对误差分别为4.02%、3.34%和1.84%;静水压力10 MPa下的空蚀坑形貌动态变化的相对误差为7.33%,验证了模型的可靠性和假设条件的合理性。实验和仿真结果表明:静水压力越大,空蚀坑深度、空蚀坑直径、空蚀坑直径-微射流直径比值和空蚀强度越大,但空蚀坑径-深比值越小,且随着持续的超声波辐照,空蚀变得更为剧烈。最后,将微射流冲击与纳米压痕试验类比,利用空蚀坑的形貌特征（空蚀坑直径和深度）构建了微射流速度反演模型以评估空蚀强度。利用不同静水压力下的空蚀坑形貌特征,对应微射流速度的下限和上限误差分别5.98%和0.11%（静水压力3 MPa）、6.62%和9.14%（静水压力6 MPa）、6.54%和5.42%（静水压力10MPa）。通过对微射流速度反演模型的评估结果表明,当且仅当空蚀坑直径-微射流的直径比接近1时,微射流速度反演模型才能够有效地实现微射流速度的反演。综上所述,本文通过系统研究了高强度聚焦超声的机械响应和声空化特性,为监控FUAS治疗建立了理论基础和实现了部分实验验证。尽管还存在很多不足,但对今后探索FUAS治疗机制、剂量分布、安全性评估等提供了新思维,具有良好的科学和应用价值。