솔버 및 조직 모델

전자기 풀웨이브(Electromagnetics Full Wave) 솔버

Electromagnetics Full Wave 솔버(P-EM-FDTD)는 적응형, 비균일 메시와 고유의 ‘다중-해상도 서브그리딩 알고리즘(부분 메쉬 세분화에 최적화)’으로 가속화된 전체파 EM 모델링(10억 복셀 이상) 을 제공합니다. 이 솔버는 분산 매질, 박층 모델, 등각 보정, 집중 회로 소자 모델링, 다양한 경계 조건 및 소스 종류를 지원합니다. 또한, 밀리미터파 적용분야를 위한 정확하고 효율적인 피부 모델을 제공하며, 우리의 Virtual Population과 해부학 모델의 모든 복잡성을 처리할 수 있을 만큼 강력합니다.

응용 분야

  • EM 시스템 모델링 및 최적화
  • 생체 의료 기기 설계 및 최적화
  • 안테나 및 안테나 배열 설계, 배치 최적화, 통신 신호 전력 계산
  • 무선 전력 전송(WPT) 시스템
  • 무선 통신 기기 설계
  • 레이더
  • 임피던스, 누화(cross-talk), 간섭
  • 체내-체내 및 체외-체내 연결 최적화
  • 노출 평가(입사 전-자계장, iPD, 유도장, SAR, APD, ΔT, ICNIRP 및 IEEE 노출 표준 지표)
  • MRI 시스템(pTx RF 코일, Rx RF 코일) 코일 설계
  • MR 노출 안전성(능동 및 수동 임플란트 포함)
  • RF/MW 온열요법
  • RF 종양 제거

준-정적 전자기(Quasi-Static Electromagnetic) 솔버

Sim4Life의 구조화된 Quasi-Static Electromagnetic 솔버(P-EM-QS)와 구조화되지 않은 솔버(P-EM-UQS)는 점진적으로 변하는 복셀 기반 및 비구조적 메시에서 유한 요소법을 적용하여 정적 및 준정적 EM 영역을 효율적으로 모델링할 수 있습니다. 이 솔버는 메시지 전달 인터페이스(MPI:Message passing interface) 병렬화를 지원하며 광범위한 EM 영역에 걸쳐 정확도와 속도 측면에서 최적화된 성능을 제공합니다. P-EM-QS 솔버 제품군은 이질적이고 복잡한 형상을 처리하는 데 이상적이며, P-EM-UQS 솔버 제품군은 CAD 기반 형상에서 세밀한 구조를 보다 정교하게 이산화 하는데 강점이 있습니다.

응용 분야

  • 저주파 및 정적 영역에서의 EM 모델링 및 최적화
  • 생체 의료 기기 설계 및 최적화
  • 무선 전력 전송(WPT) 시스템 설계
  • 임피던스, 누화(cross-talk), 전자기 간섭 분석
  • 체내-체내 및 체외-체내 연결 최적화
  • 노출 평가(노출 안전에 관한 국제 표준의 LF 노출 지표 지원)
  • 저주파 위험 평가(WPT, MRI gradient 코일, 용접, 인덕션 쿠커 등)
  • 비침습적 신경자극 최적화(TMS, TES, 시간적 간섭 자극(TIS))
  • 이식형 신경자극 최적화(DBS, SCS, 심박조율기 등)
  • 신경 보철(망막, 달팽이관, 전정, 운동 보철)
  • 생체 전자 의학 및 '전기 의약'(장기 생리와 면역 체계를 회복/제어하기 위한 말초 신경계 조절)
  • 뇌-기계 인터페이스(BMI)
  • 뇌파(EEG)/심전도(ECG)
  • 폐쇄 루프 제어, 상태 동기화 치료 및 진단을 위한 신경 센싱
  • MRI gradient 코일 설계
  • 저주파 온열요법(예: 나노 입자 사용)

열역학(Thermodynamics) 솔버

Thermodynamics 솔버(P-THERMAL)는 고급 관류(perfusion) 및 체온 조절(thermoregulation) 모델을 사용하여 생체 조직 내 열 전달을 모델링할 수 있습니다. 이 솔버에는 유한 차분 시간 영역(FDTD)과 정상 상태 유한 체적 솔버가 포함되어 있습니다. 구조화된 직교격자(복잡한 기하 구조나 이질적인 시스템에 적합)와 비구조적 메시(정밀한 CAD 구조를 매우 정확하게 표현하기 좋음)가 모두 지원됩니다. 독점적인 열 손상 및 효과 정량화 모델(예: T-CEM43 열 선량)이 포함되어 있습니다.

응용 분야

  • 열 관리
  • MRI 송신 RF 코일 설계 및 안전성 평가
  • 능동 및 수동 임플란트의 MRI 안전성 분석
  • RF 열 치료(예: 고온 항암 치료)
  • 초음파 치료 기기의 안전성 및 유효성 평가
  • RF/MW 종양 절제, RF 수술
  • 냉동 수술, 뇌 냉각
  • MRgFUS 신경외과 응용(종양 절제, 신경병증성 통증 치료, 운동 장애)
  • 저체온증 및 열사병
  • 온도에 따른 신경세포 역학
  • 대혈관 및 관류에 의한 국소 냉각

음향(Acoustic) 솔버

Full-wave Acoustics 솔버(P-ACOUSTICS)는 선형 및 비선형 압력파(분산 특성, 주파수 혼)를 처리합니다. 인체와 같은 복잡한 환경이나 두개골처럼 매우 이질적인 매질을 통한 압력파의 전파를 계산하는 데 최적화되어 있습니다. 또한, 이 음향 솔버는 CT 기반 뼈 속성 맵을 지원하여 개인화된 집속 초음파(FUS) 타겟팅을 가능하게 합니다.

응용 분야

  • 음향 노출
  • 고강도 및 저강도 집속 초음파(HI/LIFUS)
  • 진단 및 치료용 초음파 기기의 설계 및 최적화
  • 초음파 기기의 안전성 및 유효성 평가
  • 활성제 전달의 강화를 위한 FUS 기반의 가역적 ‘혈액-뇌 장벽(BBB)’ 파괴
  • 초음파 매개의 약물 방출
  • 음향 신경조절(Acoustic neuromodulation)
  • MRgFUS 신경외과(종양 절제, 신경병증성 통증 치료, 운동 장애 등)

신경 조직(Neuronal Tissue) 모델

Neuronal Tissue 모델(T-NEURO)은 다중 구획 표현 또는 일반 모델을 사용하여 활성화에서 억제에 이르기까지 EM 유도 신경 생리학의 동적 모델링을 가능하게 합니다. Sim4Life는 필드-신경세포 상호작용 연구, 신경자극 기기 최적화 및 노출 안전성 평가에 이상적인 Yale University의 NEURON 시뮬레이션 환경을 통합합니다. T-NEURO는 개별 축삭 반응 예측을 넘어, 확장된 상호성 정리를 독자적으로 구현함으로써 현실적인 신경 소스, 불균일한 유전체 특성, 다양한 기록 기기 구조를 반영하여 MEG/EEG와 같은 전뇌 생체 신호의 시뮬레이션 및 분석을 가능하게 합니다.

응용 분야

  • EM 신경 자극(척수 자극(SCS), 심부 뇌 자극(DBS) 등)
  • 경두개 뇌 자극
    • 전기적: 경두개 교류/직류 자극(TACS/TDCS), 시간 간섭 자극(TIS)
    • 자기적: 경두개 자기 자극(TMS)
  • 신경 감지(복합 활동 전위(CAP), 뇌전도(EEG) 및 심전도(ECoG) 기록, 국소 전위(LFP) 등)
  • 카테터(catheter) 기반 자극 및 신호 감지
  • 신경 보철(망막, 인공와우, 전정기관, 운동 보철 등)
  • 바이오전자 의학('전자약')
  • 자기공명 유도 집속 초음파(MRgFUS) 뇌수술(종양 제거, 신경병성 통증 치료, 운동 장애 등)
  • 저주파 EM 노출 안전성 평가(무선 전력 전송, MR gradient 코일 등)
  • 온도에 따른 신경세포 역학
  • 신경-운동 무력화
  • 신경 인터페이스 설계 및 최적화
  • 뇌-기계 인터페이스(BMI:Brain-Machine Interfaces)

열 조직 손상 모델

Sim4Life의 열 선량 및 조직 손상 모델을 사용하면 가열이 생체 조직의 생리학에 미치는 영향을 평가할 수 있습니다. CEM43 조직 가열 모델은 직접적인 세포 독성 효과를 기반으로 일시적인 가열의 영향을 정량화하기 위해 널리 적용되는 기술입니다. CEM43은 시간 변화에 따른 열 노출을 43°C에서 동등한 노출 시간(분 단위)으로 변환합니다. 이 접근법은 서로 다른 일시적 열 노출 조건(예: 고온의 짧은 가열 vs. 중간 온도의 장시간 가열)을 기존의 손상 임계값과 비교하여 정량적으로 평가할 수 있게 해줍니다.
Sim4Life는 또한 Arrhenius 조직 손상 모델을 통해 직접적인 조직 손상 평가도 제공합니다.

응용 분야

  • 고온 암 치료 (치료 효능 평가 및 최적화)
  • RF, 마이크로파, 집속 초음파를 이용한 조직 제거
  • 이식 장치 유무에 따른 MRI 안전성 평가
  • 전자기 및 열 노출 안전성 평가
  • 피부 화상 정량화

조직 특성 데이터베이스

IT'IS 재단에서 구축 및 유지 관리하는 물성 파라미터 데이터베이스는 계산 생명과학 커뮤니티에 점점 늘어나는 생물학적 조직 특성에 대한 권장 값과 그에 따른 분산 정보를 제공합니다. 이 데이터베이스는 무료로 온라인에서 접근 가능하며, 최신의 고품질 측정 데이터를 반영하여 지속적으로 업데이트됩니다. Sim4Life는 이 물성 데이터베이스를 활용하여 Virtual Population (ViP) 모델에 조직 파라미터 값을 자동으로 할당할 수 있도록 지원합니다. 또한 Sim4Life는 이방성 뇌 조직 전도도, 관류, 골조직 내 음향 전파 등의 이미지를 기반으로 한 불균일한 조직 특성 맵 할당도 지원하여 시뮬레이션의 사실성과 정확도를 더욱 향상시킵니다.

속성 목록

  • 주파수 의존적 유전체 특성
  • 밀도
  • 열 용량
  • 열 전도도
  • 열 전달율
  • 열 발생율
  • 점도
  • 음향 특성 (음속, 감쇠 계수, 비선형성)
  • 조직 중량 비율
  • MR 파라미터 (T1 및 T2 이완 시간)

관류(Perfusion) 모델

관류(perfusion)는 생체 내 가열 현상에 가장 큰 영향을 미치며 제한 요소로 작용하는 경우가 많습니다. 이에 따라 Sim4Life의 열 솔버는 관류율에 영향을 주는 능동적인 온도 조절 반응을 포함하여, 고급 관류 및 혈관 모델을 제공합니다.

엔지니어링 도구

IMAnalytics

IMAnalytics는 이식형 의료기기의 종합적인 안전성 평가를 위한 새로운 소프트웨어 플랫폼 솔루션입니다. 이 모듈은 ISO 10974에 정의된 Tier 3 접근법을 사용하여 이식형 기기의 원위 전극(distal electrodes)에서 RF 유도 전력 침착(RF-induced power deposition) 및 가열과 펄스 발생기의 리드 단자에서의 전압을 특성화합니다. 또한, ISO 10974의 Tier 2 접근법에 사용하거나 ASTM F2182 팬텀 측정을 교정하기 위해 관심 영역에서 RF 유도 전기장을 추출합니다. IMAnalytics와 IT'IS MRIxViP1.5T/3.0T 필드 라이브러리는 FDA의 승인을 받은 최초의 계산적 모델링 기반 의료 기기 개발 도구(MDDT:Medical Device Development Tools) 입니다.

 

위상 배열 안테나 도구(Phased-Array Antenna Tools)

Sim4Life Phased-array Antenna Toolkit은 5G mmWave 안테나 배열의 설계, 분석 및 최적화를 위한 시중에서 가장 효율적인 솔루션을 제공합니다. 이를 통해 엔지니어는 위상 배열 안테나를 신속하게 개발하고 연구하여 규정 준수를 비롯한 까다로운 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 전력 밀도 알고리즘은 평면과 곡면 모두에서 IEC/IEEE 63195 표준을 완벽하게 준수합니다.

파라미터화된 MRI Volume Coil Desinger

MRI Volume Coil Designer는 물리적 치수, 동작 주파수, 급전방식(feeding), 코일 배치구조(topology) 등을 포함하여 사용자가 지정한 설계 매개변수에 따라 새장형(birdcage-style) 볼륨 코일을 생성하는 대화형 도구입니다.

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