高密度焦点式超音波 (HIFU) は, 手術, がん治療, 衝撃波結石破砕などの生物医学的応用に用いられる非侵襲的な処置す. HIFU を適用すると, 超音波が焦点で放散され, 組織の凝固や切除を行うことができます. この技術の音響特性や非線形性は, シミュレーションの助けを借りてさらに分析することができます.
医療用超音波集束装置
臨床応用に用いられる処置については, ultrasound focusingは, 身体の特定の領域をターゲットとし, 周囲の健康な生体組織への損傷のリスクを防ぐ技術として広く用いられています. HIFU は超音波画像処理に似ていますが, より低い周波数を使用する侵襲性の低い技術であり, 他の治療で一般的に見られる副作用を軽減します.
HIFUは集束レンズを備えた超音波トランスデューサーを使用し, 放出された信号は焦点領域内でより高い強度レベルに達することができます. 信号が高振幅に達すると非線形効果が顕著になり, 高次の高調波が発生します. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアと音響モジュールを使用すると, 散逸性媒体を通る HIFU の非線形伝搬をモデル化することができます.
焦点ゾーン内の超音波信号のモデル化
このチュートリアルモデルで使用されるトランスデューサーハウジングとレンズは, 剛体であると想定されています. 半径 (r) と開口 (a) の球面レンズは, 生体組織ファントム内にある焦点 F に集束する 5 サイクルのトーンバーストパルスを放出します. 移動中にドメインの限られた部分のみを占有する信号は, 0.1 MPa の振幅と 1 MHz の中心周波数を持ちます. 振幅は, 信号の伝搬中に高次の高調波を生成するのに十分な大きさですが, 衝撃を形成するには十分ではありません. つまり, 衝撃を捕捉する技術は必要ありません.
2D 軸対称モデル ジオメトリの図
信号から焦点までの移動時間は次のように計算できます:
c は音速, d は対応する物質の移動距離です.
COMSOL Multiphysics バージョン 5.6 以降で利用可能な 非線形圧力音響 (陽的時間発展) インターフェースを使用して, 流体内の有限振幅の高音圧レベルの非線形波をモデル化できます. このチュートリアルでは, インターフェースは, 不連続ガラーキン有限要素法 (dG-FEM) を使用して, 双曲線保存則の形式で非線形音響方程式系を解きます. これは, 何百万もの自由度 (DOF) を持つモデルを解くことができる, よりメモリ効率の高いアプローチです.
通常, 波動伝搬の問題を求解する場合, メッシュは信号の周波数成分を解像するのに十分なほど細かくする必要があります. このチュートリアルで使用されるモデルは, ソースをパルスとして特徴付け, 伝搬信号を空間で有限にします. この場合, 計算領域のこの部分でのみ細かいメッシュが必要になります (多くの DOF を節約できます). これを実装するために, アダプティブメッシュ細分化が自動再メッシュに対して有効になり, 伝播信号の高次高調波を解像するのに十分な細かいメッシュが確保されます.
アダプティブメッシュ細分化機能 に関する設定
HIFU信号の伝搬を解析する
以下の結果から, トーンバースト信号はt = 10 μs から始まり, 水と組織ファントムドメインの間を移動していることがわかります. また, t = 20 μs で信号の一部が反射して音源に戻る様子を可視化することができます. さらに, 信号の集束はt = 30 μs で見えるようになり, t = 40 μs で最大となりました. これらの結果は, 信号が焦点領域に近づくほど, 信号強度が増加することを示しています.
時刻 t＝10, 20, 30, 40 μs における超音波信号の伝搬
水と生体組織の界面と焦点の信号を解析することで, 上記の結果を確認することができます. 下のプロットから, 焦点位置では, 音圧の振幅が水と組織の界面よりも約10倍大きいことがわかります. また, 焦点位置では, 正の圧力のピークが負の圧力のピークの約2倍となっており, 信号が焦点位置に向かうにつれて非線形性が強くなっていることがわかります.
水-生体組織界面および焦点位置での音響圧力
前述のように, アダプティブメッシュ細分化 機能を使用して, 計算領域を通過する信号を追跡しながら自動的に再メッシュを行いました. 下のアニメーションは, メッシュが信号の非線形伝搬に追従する様子を示しています. この場合のメッシュは, 鋭い前線の周囲に小さな要素があり, 大きな要素は遠くに配置されています.
次のステップ
下のボタンをクリックし, 実際にモデルを試してみてください. ステップバイステップのドキュメントとMPH-fileを含むアプリケーションギャラリーに移動します.
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