ソルバーと組織モデル

電磁気学の全波ソルバー

電磁界全波ソルバー（P-EM-FDTD）は、アダプティブな非均質メッシュ上で、加速された全波電磁界モデリング（10億ボクセルを超える）を提供し、最適なローカルメッシュ精密化のための独自のマルチ解像度サブグリッドアルゴリズムを備えています。このソルバーは、分散性材料、薄層モデル、コンフォーマル補正、集中回路要素モデリング、豊富な境界条件とソースタイプをサポートしています。さらに、mm波アプリケーションのための正確で効率的な皮膚モデルを提供し、Virtual Populationの複雑な解剖学モデルを完全に処理するのに十分な性能を備えています。

応用分野

  • EMシステムのモデリングと最適化
  • バイオメディカルデバイスの設計と最適化
  • アンテナおよびアンテナアレイ設計、配置最適化、リンクバジェット
  • ワイヤレス電力伝送（WPT）システム
  • 無線通信デバイス設計
  • レーダー
  • インピーダンス、クロストーク、干渉
  • 体内リンクの最適化
  • 被ばく評価（入射E/H磁場、iPD、誘導磁場、SAR、APD、ΔT、ICNIRPおよびIEEE被ばく標準メトリクス）
  • MRIシステム（pTx RFコイル、Rx RFコイル）コイル設計
  • MR被ばく安全性（アクティブおよびパッシブインプラントを含む）
  • RF/MWハイパーサーミア
  • RF腫瘍焼灼
Image showing the Sim4Life electromagnetics full wave solver (P-EM-FDTD) applied to a simulated ViP human torso

準静的電磁ソルバー

Image showing the Sim4Life unstructured quasi-static electromagnetic solver (P-EM-UQS) applied to visualize simulated human exposure to an electrical vehicle wireless power transfer system

Sim4Lifeの構造化準静的電磁ソルバー（P-EM-QS）および非構造化ソルバー（P-EM-UQS）は、グレーデッドボクセルベースおよび非構造化メッシュ上で有限要素法を適用することにより、静的および準静的電磁領域の効率的なモデリングを可能にします。これらのソルバーはメッセージパッシングインターフェース（MPI）並列化をサポートし、幅広い電磁場領域において精度と速度の面で最適化された性能を提供します。ソルバー P-EM-QS ファミリーは、 異種混合の複雑な形状を扱うのに理想的であり、 ソルバー P-EM-UQS ファミリーは、 CAD ベースの形状における微細なフィーチャーの離散化に優れています。

応用分野

  • 低周波領域および静的領域におけるEMモデリングと最適化
  • バイオメディカルデバイスの設計と最適化
  • ワイヤレス電力伝送（WPT）システム
  • インピーダンス、クロストーク、干渉
  • イン-イン-ボディおよびオン-イン-ボディリンクの最適化
  • 曝露評価（曝露安全性に関する国際規格に基づくLF曝露メトリクスのサポート）
  • 低周波リスク評価（WPT、MRI勾配コイル、溶接、電磁調理器など）
  • 非侵襲的神経刺激の最適化（TMS、TES、時間干渉刺激（TIS）
  • 埋め込み型神経刺激の最適化（DBS、SCS、ペースメーカーなど）
  • 神経補装具（網膜、人工内耳、前庭、運動補装具）
  • 生体電子医学と「電気製剤」（末梢神経系を調節して、臓器の生理学と免疫系を回復／制御する）
  • ブレイン・マシン・インターフェース（BMI）
  • 脳波／心電図
  • 閉ループ制御、状態同期化された治療と診断のための神経センシング
  • MRI勾配コイル設計
  • 低周波温熱療法（ナノ粒子を用いたものなど）

熱力学ソルバー

熱力学ソルバー(P-THERMAL)は、高度な灌流および体温調節モデルを使用して、生体組織内の熱伝達のモデリングを可能にします。ソルバーには、有限差分時間領域（FDTD）と定常有限体積ソルバーがあります。構造化された直線のボクセル離散化（異種システムや複雑な形状に最適）と非構造メッシュ（微細なCAD構造の高精度表現に最適）の両方がサポートされています。専用の熱損傷および影響定量化モデル（T-CEM43熱線量など）が含まれています。

応用分野

  • 熱管理
  • MRI Tx RFコイルの設計と安全性評価
  • アクティブおよびパッシブインプラントのMRI安全性
  • RF熱療法（温熱腫瘍学など）
  • 超音波治療装置の安全性と有効性評価
  • RF/MW腫瘍アブレーション、RF手術
  • 凍結手術、脳冷却
  • MRgFUS神経外科応用（腫瘍切除、神経因性疼痛治療、運動障害）
  • 低体温および熱中症
  • 温度依存性神経細胞動態
  • 大血管と灌流による局所冷却
Image showing P-THERMAL solver applied to human head and neck model

音響ソルバー

Precise ablation of liver tumor located behind the ribs, with respiratory motions

全波音響ソルバー（P-ACOUSTICS）は、線形および非線形圧力波（分散特性、周波数混合）を扱います。人体のような複雑な環境や、頭蓋骨のような不均質性の高い媒質を通過する圧力波の伝搬を計算するために最適化されています。さらに、音響ソルバーはCTベースの骨特性マップをサポートし、パーソナライズされた集束超音波ターゲティングを可能にします。

応用分野

  • 音響暴露
  • 高・低強度集束超音波（HI/LIFUS）
  • 診断および治療用超音波装置の設計と最適化
  • 超音波装置の安全性と有効性の評価
  • FUSに基づく可逆的血液脳関門破壊による活性剤送達の標的化促進
  • 超音波を介した薬物放出
  • 音響神経調節
  • MRgFUS神経外科手術（腫瘍切除、神経因性疼痛治療、運動障害など）

音響ソルバー

Neuronal Tissue Models (T-NEURO)は、マルチコンパートメント表現または汎用モデルを使用して、EMによる神経細胞の活性化から抑制までの神経生理学の動的モデリングを可能にします。Sim4Lifeはエール大学のNEURONシミュレーション環境を統合しており、フィールドとニューロンの相互作用の研究、神経刺激装置の最適化、被ばく安全性の評価に最適です。T-NEUROは、個々の軸索反応の予測にとどまらず、拡張互恵性定理を独自に実装することで、現実的な神経細胞ソース、非一様な誘電環境、さまざまな記録デバイスの形状に対応し、脳磁図／脳波（MEG/EEG）などの全脳生体信号のシミュレーションと解析を可能にします。

応用分野

  • EM神経刺激（脊髄刺激（SCS）、脳深部刺激（DBS）など）
  • 経頭蓋脳刺激（電気的：経頭蓋交流/直流刺激（TACS/TDCS）、時間干渉刺激（TIS）、磁気的：経頭蓋磁気刺激（TMS）
  • 神経センシング（複合活動電位（CAP）、脳波（EEG）および皮質電位（ECoG）記録、局所フィールド電位（LFP）など）
  • カテーテルを用いた刺激とセンシング
  • 神経補装具（網膜、人工内耳、前庭、運動補装具）
  • バイオエレクトロニクス医学（「電気製剤）
  • 磁気共鳴ガイド下集束超音波（MRgFUS）神経外科（腫瘍切除、神経因性疼痛治療、運動障害など）
  • 低周波電磁波曝露の安全性評価（無線電力伝送、MR勾配コイルなど）
  • 温度依存性神経細胞動態
  • 神経運動無能力化
  • 神経インターフェースの設計と最適化
  • ブレイン・マシン・インターフェース（BMI）

神経細胞組織モデル

Neuronal Tissue Models (T-NEURO)は、マルチコンパートメント表現または汎用モデルを使用して、EMによる神経細胞の活性化から抑制までの神経生理学の動的モデリングを可能にします。Sim4Lifeはエール大学のNEURONシミュレーション環境を統合しており、フィールドとニューロンの相互作用の研究、神経刺激装置の最適化、被ばく安全性の評価に最適です。T-NEUROは、個々の軸索反応の予測にとどまらず、拡張互恵性定理を独自に実装することで、現実的な神経細胞ソース、非一様な誘電環境、さまざまな記録デバイスの形状に対応し、脳磁図／脳波（MEG/EEG）などの全脳生体信号のシミュレーションと解析を可能にします。

応用分野

  • EM神経刺激（脊髄刺激（SCS）、脳深部刺激（DBS）など）
  • 経頭蓋脳刺激（電気的：経頭蓋交流/直流刺激（TACS/TDCS）、時間干渉刺激（TIS）、磁気的：経頭蓋磁気刺激（TMS）
  • 神経センシング（複合活動電位（CAP）、脳波（EEG）および皮質電位（ECoG）記録、局所フィールド電位（LFP）など）
  • カテーテルを用いた刺激とセンシング
  • 神経補装具（網膜、人工内耳、前庭、運動補装具）
  • バイオエレクトロニクス医学（「電気製剤）
  • 磁気共鳴ガイド下集束超音波（MRgFUS）神経外科（腫瘍切除、神経因性疼痛治療、運動障害など）
  • 低周波電磁波曝露の安全性評価（無線電力伝送、MR勾配コイルなど）
  • 温度依存性神経細胞動態
  • 神経運動無能力化
  • 神経インターフェースの設計と最適化
  • ブレイン・マシン・インターフェース（BMI）
Sim4Life used to conduct virtual neurostimulation study in a rat model to simulate realistic sciatic nerve response to an implanted cuff electrode and predict compound action potentials

熱組織損傷モデル

Treatment planning in Sim4Life for radiofrequency ablation of the liver, with assessment of thermal tissue damage in terms of specific absorption rate (SAR) and cumulative equivalent minutes at 43°C (CEM43)

熱組織損傷モデル

Sim4Lifeの熱線量および組織損傷モデルは、生体組織の生理学に対する加熱の影響を評価することができます。CEM43組織加熱モデルは、直接的な細胞毒性効果に基づく一過性の加熱の影響を定量化するために広く適用されている手法です。CEM43は、時間変化する熱曝露を43℃における等価曝露時間（分）に変換する。このアプローチは、確立された損傷閾値に関連付けることにより、異なる一過性の熱暴露シナリオ（例えば、高温での短時間の加熱と長時間の中程度の加熱）の定量的比較を可能にします。Sim4Lifeは、アレニウス組織損傷モデルによる組織損傷の直接評価も提供します。

応用分野

  • 温熱療法（有効性の評価と最適化）
  • 高周波、マイクロ波、集束超音波アブレーション
  • 植え込み器具の有無によるMRの安全性
  • 電磁波および熱暴露の安全性
  • 皮膚熱傷の定量化

組織特性データベース

マテリアル・パラメータ・データベースは IT'IS財団によって作成され、計算生命科学コミュニティに、増え続ける生体組織特性の推奨値と関連するばらつきを表現しています。このデータベースは無料でオンラインアクセス可能であり、利用可能な最高品質の測定値を反映するために継続的に更新されています。Sim4Lifeでは、材料特性データベースから仮想集団（ViP）モデルに組織パラメータ値を自動的に割り当てることが簡単にできます。さらに、Sim4Lifeは、異種組織特性マップ（異方性脳組織導電率、灌流、骨内音響伝播）の画像ベースの割り当てをサポートし、リアリズムと精度を向上させます。

特性のリスト

  • 周波数依存の誘電特性
  • 密度
  • 熱容量
  • 熱伝導率
  • 熱伝達率
  • 熱発生率
  • 粘度
  • 音響特性（音速、減衰定数、非直線性）
  • 組織重量分率
  • MRパラメータ（縦緩和時間、横緩和時間）
Image showing various visualizations of tissue properties in a ViP model mid-sagital cross-section

灌流モデル

灌流は、しばしば生体内の加熱に影響を与える（そして制限する）支配的な要因です。そのため、当社の熱ソルバーは、灌流速度に影響を与えることが知られている能動的な体温調節プロセスを含む、灌流と血管系の高度なモデルを提供します。

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