高強度超聲聚焦（High-intensity focused ultrasound，HIFU）是一種用于生物醫學領域的非侵入性技術，包括手術、癌癥治療和沖擊波碎石術。當施加高強度聚焦超聲時，超聲波在焦點上耗散實現組織凝結和消融。我們可以通過仿真進一步分析該技術的聲學特性和非線性性質。

用于醫療的超聲聚焦

超聲聚焦是一種在臨床應用中廣泛使用的技術，它聚焦身體的特定區域，并能防止損害周圍健康組織的風險。高強度聚焦超聲與超聲成像類似，但它是一種侵入性較小的技術。這種技術使用較低的頻率，減少了其他治療方法中常見的副作用。

高強度超聲聚焦使用帶有聚焦透鏡的超聲波換能器，其發射的信號可以在聚焦區內達到較高的強度水平。當信號達到高幅值時，非線性效應變得明顯并產生高次諧波。使用 COMSOL Multiphysics? 軟件和聲學模塊，我們可以對高強度聚焦超聲通過耗散介質的非線性傳播進行建模。

在焦點區域內模擬超聲波信號

本教程模型中使用的換能器外殼和鏡頭被假定為剛性的。半徑為（r）和孔徑為（a）的球面透鏡發出一個五個周期聲波脈沖，聚焦在位于組織中的焦點 F。信號的振幅為 0.1MPa，中心頻率為 1MHz，在傳播過程中只會涉及有限的部分域。當信號傳播時，振幅足以產生高階諧波，但不足以形成激波，這意味著不需要能夠捕獲激波的功能。

我們可以使用以下公式計算從信號到焦點的傳播時間：

其中，c 是聲速，d 是相應材料中的傳播距離。

使用 COMSOL Multiphysics 5.6 版提供的非線性壓力聲學，時域顯式 接口，我們可以模擬流體中的有限幅值高聲壓級非線性波。在本教程中，該接口使用間斷伽遼金有限元法(dG-FEM)，以雙曲守恒律的形式求解非線性聲學方程組。這是一種更節省內存的方法，可以求解決具有數百萬自由度(DOFs)的模型。

通常，當求解一個波傳播問題時，網格需要足夠細，以解析信號的頻率信息。本教程中使用的模型以脈沖為特征，使得傳播信號在空間中是有限的。在這種情況下，僅在計算域的這一部分需要精細的網格（節省許多自由度）。為了實現此目的，啟用自適應網格細化 以自動重新劃分網格，從而確保使用足夠細的網格來解析傳播信號的高階諧波。

分析高強度超聲聚焦信號的傳播

從下面的結果中，我們可以看到聲波信號開始于 t=10μs，并在水和組織域之間傳播。我們還可以看到部分信號在 t=20μs 時反射回源。此外，信號的聚焦在 t=30μs 時可見，在 t=40μs 時達到最大值。這些結果表明，越接近焦點區，信號強度越大。

t = 10、20、30 和 40μs 時，超聲信號的傳播。

我們可以通過分析水-組織界面和焦點處的信號來證實上述結果。從下圖我們可以看到，在焦點處，聲壓幅值大約是水-組織界面處的10倍。同樣，在焦點處，正壓峰值幾乎是負壓峰值的兩倍，這表明信號在向焦點區傳播時變得高度非線性。

如前所述，自適應網格細化特征用于隨著信號通過計算域時自動重新劃分網格。下面的動畫顯示了網格是如何跟隨信號的非線性傳播而變化。在動畫中，在尖銳的峰周圍具有較小的網格單元，而較大的單元則位于較遠的位置。

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