聚焦超声治疗
将声能精确送达目标
聚焦超声波（FUS）和高强度聚焦超声波（HIFU）已被广泛应用于各种医疗领域：肿瘤消融；癫痫、运动障碍和慢性疼痛治疗；可逆性血脑屏障开放（如增加帕金森药物的吸收）；血栓溶解；以及神经刺激。它们提供了无需外科手术即可瞄准人体深层位置的潜力。其机制可以是热效应（如热消融）或非热效应。声波传播会受到骨骼、气腔和暴露区域内一般解剖结构的影响，这可能会降低聚焦能力并产生不必要的次要病灶。相控阵换能器可进行像差校正，前提是能针对特定的目标形状、位置和患者解剖结构确定合适的转向参数。通过建模，可以研究和设计新型应用器和针对患者的治疗规划。
方法
1.综合建模框架
Sim4Life 为基于图像或解剖模型的声波传播模拟、诱导加热以及由此产生的效应量化提供了全面的环境：IMG 和iSEG模块增加了对图像集成和基于图像的模型生成的支持。虚拟人群（ViP）3.0 解剖模型为设备设计或深入分析提供了最详细、最准确的患者群体表征。P-THERMAL模块增加了一个求解器，该求解器针对活体血流灌注组织中的热现象建模进行了优化，而T-CEM43则增加了热剂量和效应评估模型，用于量化热组织损伤和治疗效果。更多详情，请参阅热疗法。
P-ACOUSTICS无缝集成了所有这些功能，并允许以前所未有的分辨率和问题规模对人体或人工结构中的声波传播进行全波建模。这要归功于高性能计算（HPC）技术的使用，它利用一个或多个图形处理器（GPU）卡的强大功能，将模拟加速了数个数量级。
2.聚焦与治疗计划
Sim4Life 已被用于研究改进聚焦的方法，特别是在经颅聚焦超声的情况下，在经颅聚焦超声中，使用带有一千多个超声换能器的应用器在不打开头骨的情况下瞄准大脑深处的位置。对各种聚焦方法进行了研究和比较。通过使用虚拟声源方法（也称为时间逆转技术），在目标位置使用声源进行初始模拟，同时在换能器元件上记录传入的压力波，从而获得了与临床应用方法相比更优越的结果。在实际超声处理中，这些信号将被连接并应用。
Sim4Life 可以补偿颅骨引起的像差和焦点偏移的影响，甚至可以根据计算机断层扫描（CT）图像数据考虑颅骨的不均匀性。结果表明，有可能大大扩展头部可治疗区域的范围。
在对肝脏中的 HIFU 肿瘤消融进行建模时，将虚拟源方法与 4D 动画解剖模型相结合，从核磁共振成像图像中提取呼吸运动，并应用于身体模型的翘曲。这有助于研究运动跟踪的重要性。此外，根据结合热建模的 T-CEM43 模型的评估，虚拟源方法成功地减少了对肋骨的附带损伤。
3.卷扫描
Sim4Life 声学建模可用于探索覆盖大面积治疗区域的策略，例如实现热疗癌症治疗。例如，可以证明使用顺序声波治疗（用病灶连续扫描肿瘤体积）和容积声波治疗（快速交错放置病灶）可以获得非常相似的治疗效果，但后者可以在一半的治疗时间内实现。此外，在建模的基础上，还提出了基于非结构网格的肿瘤体积覆盖策略的概念，以替代通常采用的在矩形网格上有规律地放置声波的方法。这种方法除了能减少所需的超声波次数外，还能通过热建模评估，利用自适应网格细化提高冷却血管附近的热覆盖率。
4.设备设计
模拟已被用于研究和设计新型声学传感器。其中包括一种新颖的设计，其声波刀片般的焦点主要用于浅表介入。另一种使用 Sim4Life 开发的涂抹器采用了随机放置换能器元件的方法，以减少声名狼藉的侧叶，并产生更局部的聚焦。Sim4Life P-ACOUSTICS 已经为常见的涂抹器阵列设计提供了模板。
5.验证与确认
Sim4Life P-ACOUSTICS 经过了广泛的文件验证和确认。通过识别所有相关的物理和数值现象，并将模拟结果与分析和数值参考方案进行比较，对这些方案进行严格测试，从而验证了实施的正确性。为了确保模拟方程能够捕捉现实，我们建立了一个专门的验证装置，允许在声聚焦内和声聚焦附近放置形状和材料属性各不相同的多个障碍物，并在机器人的支持下进行三维声干扰场测量。已进行了广泛的不确定性量化，并用于确认测量与模拟之间的出色一致性。
此外，在设计新型线性声消融装置时，还使用了水听器测量来比较预测和测量的压力分布。
文件
出版物
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