彭瀚旻，陈致钧，卢鹏辉，冒林丽

(1.南京航空航天大学超声电机国家地方联合工程实验室 南京，210016)(2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京，210016)



低频超声透皮给药系统压电-声-热计算模型*

彭瀚旻1，2，陈致钧2，卢鹏辉2，冒林丽2

(1.南京航空航天大学超声电机国家地方联合工程实验室 南京，210016)(2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京，210016)

为分析低频超声透皮给药过程中由超声空化引起的发热问题，基于压电方程、热平衡方程和声压平衡方程，利用COMSOL有限元软件建立了低频超声透皮给药过程中压电-声-热耦合仿真计算模型。通过理论分析和FLIR热成像仪的温度测量实验，获得了系统在超声输入功率为5.5 W、频率为21 kHz下的温度场分布与外表面最大温度变化曲线。超声换能器与低频超声透皮给药系统(空气中)的温度场分布及其最大温度值的仿真分析结果都与实验值一致，即在低频超声透皮给药过程中，药液中超声空化会造成声波大幅衰减，从而把部分声能直接转化为热能，导致药液温度快速上升，15 min时外表面最高温度可达40℃，内部辐射头下方最大温度的理论值可达41.3℃，达到了低频超声透皮给药的温度安全要求(≤42℃)。计算与实验结果表明，所建立的压电-声-热耦合计算模型可以预测系统温度变化，可用于超声作用时间、换能器结构尺寸和材料参数的优化设计。

低频超声； 透皮给药； 超声换能器； 多场耦合； 有限元

引 言

20世纪末，科学家们发现低剂量的超声可以提高药物渗透效率，其物理效应中的机械效应(波的传播)和热效应都可以改善生物组织的压力、张力和血液流动速度，促进组织代谢，刺激神经系统等加速康复的作用。……