高强度聚焦超声(HIFU)是一种新兴的非侵入式治疗肿瘤的方法，近年来得到极大的关注。利用聚焦换能器将声能量集中聚焦至靶区，焦点区域声强可达到103 W/cm2量级以上，将靶区组织加热消融，而周围的正常组织不受损伤。对聚焦声场的准确建模，以及聚焦方式的合理选择，有助于实现能量的精确聚焦，确定治疗方案并预估HIFU的治疗效果。本文针对HIFU应用中存在的高强度非线性声场传播问题，采用数值方法和实验测量相结合，对时间反转方法在HIFU精确聚焦中的应用效果进行了深入系统的研究。论文的主要工作如下:　　第一，论文介绍了多种常见的非线性声场理论模型及对应的数值方法，并比较了这些模型的优缺点和适用条件。并结合本文的研究内容，选择合适的非线性声场理论模型。　　第二，研究和分析了时间反转方法在软组织高强度聚焦超声中的应用。时间反转方法是解决非均匀介质中焦点偏移的一种矫正方法。在高强度聚焦超声中，时间反转不变性由于吸收和非线性效应而在理论上不能不受限制地完全应用。为检验高强度聚焦超声在人体软组织中的适用性，建立了基于时间反转方法的非线性声场聚焦模型，分析了高强度聚焦超声在软组织中的焦点偏移。结果表明，采用时间反转方法时，非线性系数和吸收系数在人体软组织范围内的变化对焦点偏移影响不大，吸收系数为10时，偏移距离最大，约为1个波长。此外，还讨论了脂肪层厚度，换能器F值（换能器焦距和孔径的比值）与声源强度对焦点偏移距离的影响。声源强度和脂肪层厚度的不同，对焦点偏移距离几乎没有影响，而换能器孔径的变化对偏移距离影响较大，孔径越大，反转镜获得的声场信息越多，偏移距离越小。相比传统方法，时间反转聚焦在减小焦点偏移方面有良好效果。　　第三，考察了时间反转迭代方法在多目标存在的介质中对反射系数较强的目标自动选择聚焦的效果。对此，我们进行了数值验证，并考察了在目标距离较近不易区分情况下，以及考虑非线性效应时的时间反转迭代方法的效果。结果表明，三个目标时时间反转迭代方法仍然能在反射系数最强的目标聚焦，然而主目标物受到其余目标物的影响，出现了旁瓣。考虑非线性效应时，时间反转迭代方法仍可以进行选择聚焦，且迭代的收敛速度更快。　　第四，为了对高强度聚焦超声中产生的一些非线性现象如正声压和负声压的幅值差异进行进一步解释，从数值模拟和实验测量两方面分析了声场中的谐波关系。结果表明非线性聚焦的相位规律受到衍射效应和非线性效应的共同影响。与非线性简单波相比，衍射效应是造成非线性聚焦正声压幅值大于负声压的主要原因。各次谐波与基波在几何中心处相对相位量规律为（n-1）φ。其中φ值约为π/3。此外还研究了非线性强度和软组织边界对谐波关系的影响。　　第五，分析了时间反转方法在相控阵偏轴聚焦产生的组织损伤。偏轴聚焦模型并非轴对称，需要进行三维声场的建模。首先将三维算法和二维进行对比，验证了三维有限差分算法的正确性;然后介绍了热传导和组织损伤模型;研究了时间反转方法偏轴聚焦产生的组织损伤。结果表明时间反转方法可以在偏离轴线的位置精确聚焦;偏离轴线距离越远，相同声源声压聚焦所形成的焦点声压降低，且旁瓣体积开始增加;多焦点聚焦易产生更多旁瓣，且可聚焦范围低于单点聚焦;在偏移距离0-5mm内，多点聚焦效果良好，且可以产生单一组织损伤区域。　　总之，本文在高强度聚焦超声时间反转方法的应用研究方面以及对非线性现象解释等方面的研究开展了工作，表明了时间反转方法在HIFU软组织聚焦中的精确性，解释了非线性聚焦中的正负压现象，这些工作对高强度聚焦超声的临床应用提供了一定的参考。