ネットワーク結合型並列コンピュータを用いた体内組織および骨内伝搬音波の解析

使用网络耦合并行计算机分析在身体组织和骨骼中传播的声波

基本信息

批准号：
15700357
负责人：
土屋健伸
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Kanagawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15700357/
关键词：
生体内部音波伝搬骨内部音波伝搬温度上昇時間領域差分法並列計算 PCクラスタ超音波による発熱音波伝搬解析生体組織医療超音波熱伝導方程式並列演算法生体内音波伝搬骨粗しょう症並列演算解析安全性生体内部温度上昇

项目摘要

生体内部を可視化する超音波診断装置の性能向上を目指して,生体内部ならびに骨内を伝搬する超音波を精密に解析することを目的とした.さらに診断装置の更なる安全化のために,超音波によって生体内部に発生する熱量を推定し,内部温度の上昇値を推測した.解析手法にはパルス波伝搬を簡便に行える時間領域差分法(Finite Difference Time Domain : FDTD法)と熱伝導方程式法(Heat Conduction Equation : HCE法)を組み合わせたFDTD-HCE法を用いた.さらに従来,計算時間と使用メモリの問題から実行が困難であった3次元モデルの解析を,ネットワークを介し接続されたPCクラスタを使用して可能とした.そしてアルゴリズムを最適化して計算時間を短縮し,PC8台で680%の高速化率を得た.本年度の研究はFDTD-HCE法の3次元モデルの構築と解析ならびに生体模擬ファントムによる実測値との比較を行った.そして,現状の超音波診断装置に使用されている電子フォーカス型(収束型)の超音波送波プローブを計算機上で構築し,生体組織ならびに骨内の音波伝搬と温度分布の推定を行った.3次元モデルの構築と解析ならびに実測値との比較では,周波数1MHz,超音波強度1.12W/cm^2,連続波の条件で行った.実測データに対し,2次元解析では温度差が2度,3次元解析では温度差が0.3度と実験結果と解析結果が良く一致し,解析手法の正確さと3次元モデルの有効性が示された.次に電子フォーカス型の超音波送波プローブによる生体内部の温度上昇の解析では収束型プローブによりさせられた音波は平面型に比べ,同じ強度では温度の上昇が一部のみで回りに大きな影響を与えないことが分かった.さらに周波数2MHz,超音波強度0.72W/cm^2,連続波の条件で収束域近傍に骨があると想定した場合,骨内部の温度が2度上昇することが分かり,さらに焦点域の温度も0.2度上昇した.そして,現行の超音波診断装置の安全指標である度0.72W/cm^2でパルス波送信での条件で生体内部の温度上昇の解析を行った.送信繰り返し周波数(PRF)を現行機の10倍以上の速さである400kHzに設定しても温度上昇はわずか0.0004度であり,現行機種の安全性が確認された.

为了提高可视化生物体内部的超声波诊断设备的性能，我们的目标是精确分析在生物体和骨骼内传播的超声波。此外，为了进一步提高诊断设备的安全性，我们还研究了产生的热量。通过声波来估计生物体内的温度升高，分析方法包括允许脉冲波传播的有限差分时域法（FDTD）和热传导方程法（Heat Conduction Equation）。：使用了 FDTD-HCE 方法，该方法是 FDTD-HCE 方法（HCE 方法）的组合。此外，由于计算时间和内存使用问题，传统上难以执行的 3D 模型的分析使用通过网络连接的 PC 集群对算法进行了优化，缩短了计算时间，在 8 台 PC 上实现了 680% 的加速率。今年的研究重点是使用 FDTD-HCE 方法构建和分析 3D 模型，以及使用生物模型进行实际测量。然后，在计算机上构建了当前超声诊断设备中使用的电子聚焦型（会聚型）超声波传输探头，并比较了声波在活体组织和骨骼中的传播。我们估计了温度分布。在频率为1 MHz、超声强度为1.12 W/cm^2、连续波的条件下进行了尺寸模型的构建和分析以及与实际测量值的比较。数据，二维分析显示温差为2度，3D分析显示温差实验和分析结果在0.3度处吻合良好，证明了分析方法的准确性和三维模型的有效性。接下来，使用电子聚焦超声波传输探头对活体内部的温升进行分析，结果显示收敛结果发现，模压探头发出的声波，与平板型相比，在相同强度下，温度仅部分上升，对周围环境影响不大。而且，超声波的频率为2MHz。强度为0.72W/cm^2，连续波条件下会聚区附近的骨当假设2中的脉搏波传输条件分析了活体内部的温升。即使将传输重复频率（PRF）设置为400kHz（比当前模型快10倍以上），温升也仅为0.0004度，这是该产品的安全特性当前型号已确认。

项目成果

期刊论文数量（14）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Calculation of reflected pulse wave of sea bottom with transition layer using by FDTD method

时域有限差分法计算含过渡层海底反射脉冲波

DOI：
发表时间：
2004
期刊：
Proc.of 7th European Conference on UNDERWATER ACOUSTICS Vol.1
影响因子：
0
作者：
T.Tsuchiya;N.Endoh
通讯作者：
N.Endoh

Y.YAMADA, T.TSUCHIYA, N.ENDOH: "Received Pulse from an Aerial Ultrasonic Sensor Affected by Temperature and Relative Humidity"Jpn.J.Apl.Phys.. Vol.42 No.5B. 3029-3030 (2003)

Y.YAMADA、T.TSUCHIYA、N.ENDOH：“从受温度和相对湿度影响的航空超声波传感器接收的脉冲”Jpn.J.Apl.Phys.. Vol.42 No.5B。

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

T.Tsuchiya, Y.Yamada, N.Endoh, M.Ogawa, G.Takei: "Comparison of estimated pulse waveform using by FDTD method and observed received pulse in shallow water"Proc. of the World Congress on Ultrasonics. 681-684 (2003)

T.Tsuchiya、Y.Yamada、N.Endoh、M.Okawa、G.Takei：“使用 FDTD 方法估计的脉冲波形与浅水中观测到的接收脉冲的比较”Proc。

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Numerical Analysis of Temperature Rise in Tissue Using Electronic Focused Ultrasound

使用电子聚焦超声对组织温升进行数值分析

DOI：
发表时间：
2006
期刊：
Jpn.J.Apt.Phys. 45・6B(acceptance)
影响因子：
0
作者：
Y.Saito;T.Tsuchiya;N.Endoh
通讯作者：
N.Endoh

Numerical calculation of Heating condition in phantom using by Finite Difference Time Domain method and Heat Conduction Equation met

利用时域有限差分法和热传导方程对模型中的加热条件进行数值计算

DOI：
发表时间：
2004
期刊：
Proc.of Asian Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology 2004 Vol.1
影响因子：
0
作者：
T.Tsuchiya;S.Saito;S.Ishigayasumi;N.Endoh
通讯作者：
N.Endoh