COMSOL 博客

通过仿真分析高强度超声聚焦技术在生物组织中的传播

作者 Dixita Patel

2021年 2月 23日

高强度超声聚焦（High-intensity focused ultrasound，HIFU）是一种用于生物医学领域的非侵入性技术，包括手术、癌症治疗和冲击波碎石术。当施加高强度聚焦超声时，超声波在焦点上耗散实现组织凝结和消融。我们可以通过仿真进一步分析该技术的声学特性和非线性性质。

用于医疗的超声聚焦

超声聚焦是一种在临床应用中广泛使用的技术，它聚焦身体的特定区域，并能防止损害周围健康组织的风险。高强度聚焦超声与超声成像类似，但它是一种侵入性较小的技术。这种技术使用较低的频率，减少了其他治疗方法中常见的副作用。

高强度超声聚焦使用带有聚焦透镜的超声波换能器，其发射的信号可以在聚焦区内达到较高的强度水平。当信号达到高幅值时，非线性效应变得明显并产生高次谐波。使用COMSOL Multiphysics^® 软件和声学模块，我们可以对高强度聚焦超声通过耗散介质的非线性传播进行建模。

在焦点区域内模拟超声波信号

本教程模型中使用的换能器外壳和镜头被假定为刚性的。半径为（r）和孔径为（a）的球面透镜发出一个五个周期声波脉冲，聚焦在位于组织中的焦点 F。信号的振幅为 0.1MPa，中心频率为 1MHz，在传播过程中只会涉及有限的部分域。当信号传播时，振幅足以产生高阶谐波，但不足以形成激波，这意味着不需要能够捕获激波的功能。

A schematic showing a 2D axisymmetric geometry of the HIFU model, with the water and tissue domains visualized in blue and yellow, respectively.
二维轴对称几何模型的图解。

我们可以使用以下公式计算从信号到焦点的传播时间：

t_\textrm{F}=\frac{d_\textrm{water}}{c_\textrm{water}} + \frac{d_\textrm{tissue}}{c_\textrm{tissue}}

其中，c 是声速，d 是相应材料中的传播距离。

使用 COMSOL Multiphysics 5.6 版提供的非线性压力声学，时域显式 接口，我们可以模拟流体中的有限幅值高声压级非线性波。在本教程中，该接口使用间断伽辽金有限元法(dG-FEM)，以双曲守恒律的形式求解非线性声学方程组。这是一种更节省内存的方法，可以求解决具有数百万自由度(DOFs)的模型。

通常，当求解一个波传播问题时，网格需要足够细，以解析信号的频率信息。本教程中使用的模型以脉冲为特征，使得传播信号在空间中是有限的。在这种情况下，仅在计算域的这一部分需要精细的网格（节省许多自由度）。为了实现此目的，启用自适应网格细化 以自动重新划分网格，从而确保使用足够细的网格来解析传播信号的高阶谐波。

The Settings window for the Adaptive Mesh Refinement feature.
自适应网格细化特征的设置。