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Temperature Dependence of Tissue Thermal Parameters Should Be Considered in the Thermal Lesion Prediction in High-Intensity Focused Ultrasound Surgery

热扩散率 材料科学 热导率 生物传热 热的 传热 超声波传感器 超声波 生物医学工程 热力学 机械 高强度聚焦超声 强度(物理) 医学 复合材料 声学 光学 物理
作者
Sitaramanjaneya Reddy Guntur,Mok-Kun Jeong
出处
期刊:Ultrasound in Medicine and Biology [Elsevier]
卷期号:46 (4): 1001-1014 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.ultrasmedbio.2019.10.023
摘要

Abstract

This study considers the temperature-dependent thermal parameters (specific heat capacity, thermal diffusivity and thermal conductivity) used when predicting the temperature rise of tissue exposed to high-intensity focused ultrasound (HIFU). Numerical analysis was performed using the Khokhlov–Zabolotskaya–Kuznetsov equation coupled with a bioheat transfer function. The thermal parameters were set as the functions of temperature using experimental data. The results revealed that, for liver tissue exposed to HIFU with a focal intensity of 3000 W/cm2 for 10 s, the predicted focal temperature rise was 23% lower and the thermal lesion area 41% smaller than those predicted without considering the temperature dependence. The prediction was validated by experimental observations on thermal lesions visualized in a tissue-mimicking phantom. The present results suggest that temperature-dependent thermal parameters should be considered in the prediction of HIFU-induced temperature rise to avoid lowering ultrasonic output settings for HIFU surgery. The aim of the present study was to investigate how significantly the temperature dependence of the thermal parameters affects the thermal dose imposed on the tissue by a typical clinical HIFU device. A numerical simulation was performed using a thermo-acoustic algorithm coupling the non-linear Khokhlov–Zabolotskaya–Kuznetsov (KZK) equation (Meaney et al. 1998; Filonenko and Khokhlova 2001) and a bio-heat transfer (BHT) equation (Pennes 1948). Thermal parameters of liver tissue were modeled in the present study as functions of temperature and were incorporated into the BHT equation to compensate for the variations in thermal parameters with temperature. Experimental validation was achieved by comparing the predictions with the thermal lesions formed in the tissue-mimicking phantoms.
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