A rapid element pressure field simulation method for transcranial phase correction in focused ultrasound therapy

水听器 传感器 声学 光线追踪(物理) 材料科学 计算机科学 超声波 成像体模 相(物质) 生物医学工程 物理 光学 医学 量子力学
作者
Peng Xu,Nan Wu,Guofeng Shen
出处
期刊:Physics in Medicine and Biology [IOP Publishing]
卷期号:68 (23): 235015-235015
标识
DOI:10.1088/1361-6560/ad0a59
摘要

Transcranial focused ultrasound ablation has emerged as a promising technique for treating neurological disorders. The clinical system exclusively employed the ray tracing method to compute phase aberrations induced by the human skull, taking into account computational time constraints. However, this method compromises slightly on accuracy compared to simulation-based methods. This study evaluates a fast simulation method that simulates the time-harmonic pressure field within the region of interest for effective phase correction. Experimental validation was carried out using a 512-element, 670 kHz hemispherical transducer for fourex vivoskulls. The ray tracing method achieved a restoration ratio of 64.81% ± 4.33% of acoustic intensity normalized to hydrophone measurements. In comparison, the rapid simulation method demonstrated improved results with a restoration ratio of 73.10% ± 7.46%, albeit slightly lower than the full-wave simulation which achieved a restoration ratio of 75.87% ± 5.40%. The rapid simulation methods exhibited computational times that were less than five minutes for parallel computation with 8 threads. The incident angle was calculated, and a maximum difference of 6.8 degrees was found when the fixed position of the skull was changed. Meanwhile, the restoration ratio of acoustic intensity was validated to be above 70% for different target positions away from the geometrical focus of the transducer. The favorable balance between time consumption and correction accuracy makes this method valuable for clinical treatment applications.
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