What are You Looking for?

Численный эксперимент в акустике

Разработка программных комплексов, ускорение численных экспериментов, параметрическое излучение звука и нелинейные задачи аэроакустики

Разработка программных комплексов

Для теоретического исследования нелинейных волновых полей, создаваемых мощными фокусирующими ультразвуковыми излучателями, в Лаборатории LIMU разрабатываются различные численные модели. В основном для моделирования используются нелинейные уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК) и Вестервельта, которые применяются для описания однонаправленного распространения волн. Особенностью разработанных алгоритмов является возможность расчета полей в случаях, когда в области фокуса образуются высокоамплитудные ударные фронты. Изучение таких режимов необходимо при разработке новых ударно-волновых протоколов воздействия на биологические ткани.

На основе численных алгоритмов решения указанных уравнений разработаны соответствующие программные комплексы, один из которых – “HIFU beam” – сделан доступным для бесплатного использования исследователям по всему миру. Комплекс “HIFU beam” реализует вычисления для аксиально симметричных пучков, создаваемых классическими одноэлементными круглыми излучателями и кольцевыми решетками, а также может использоваться для преобразователей более сложной конструкции с помощью метода эквивалентного источника. “HIFU beam” снабжен графическим интерфейсом пользователя и может запускаться на настольном компьютере с использованием параллельных вычислений на нескольких ядрах процессора. Более ресурсоемкие трехмерные задачи решаются на высокопроизводительных серверах.

Доцент П.В. Юлдашев отвечает в лаборатории за направление, связанное с численным моделированием высокоинтенсивных фокусированных ультразвуковых пучков с разрывными фронтами в биологических тканях и нелинейных волн в случайно-неоднородных и турбулентных средах, а также проведение параллельных вычислений на графических процессорах.

Ускорение численного эксперимента с помощью GPU

Среди прочего, в LIMU ведется работа над ускорением имеющихся алгоритмов с использованием параллельных вычислений на графических процессорах. Созданные комплексы программ активно используются для решения практических задач калибровки полей мощных медицинских излучателей.

Численные алгоритмы для задач параметрического излучения звука

Разработанные в Лаборатории LIMU численные алгоритмы применяются не только для решения задач медицинского ультразвука. Так, с помощью уравнения ХЗК рассчитывается взаимодействие двух высокочастотных волн накачки, за счет которого генерируется волна разностной частоты (так называемый параметрический излучатель звука). Для проведения трехмерных расчетов здесь потребовалась оптимизация алгоритмов путем учета лишь наиболее существенных спектральных компонент нелинейной волны.

Численные эксперименты в задачах аэроакустики

Ведутся исследования, связанные с распространением нелинейных волн в случайно-неоднородных средах. Так, волна звукового удара от сверхзвукового самолета после прохождения через приземный турбулентный слой атмосферы приобретает случайный характер и ее характеристики должны описываться статистически. С использованием моделирования на основе уравнения ХЗК для больших случайных реализаций акустического поля удается предсказывать статистические характеристики уровня шума.

Решаемые уравнения

  • одномерные уравнения нелинейной акустики в средах с различным законом поглощения
  • уравнения типа Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК)
  • уравнение Вестервельта

Задачи LIMU

Патенты

Контакты

Подробности

[1] “HIFU beam”: a simulator for predicting axially symmetric nonlinear acoustic fields generated by focused transducers in a layered medium / P. V. Yuldashev, M. M. Karzova, W. Kreider et al. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. — 2021. — Vol. 68, no. 9. — P. 2837–2852. DOI: 10.1109/TUFFC.2021.3074611

[2] Wide-angle parabolic approximation for modeling high-intensity fields from strongly focused ultrasound transducers / P. V. Yuldashev, I. S. Mezdrokhin, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2018. — Vol. 64, no. 3. — P. 309–319. DOI: 10.1134/S1063771018030168

[3] Simulation of three-dimensional nonlinear fields of ultrasound therapeutic arrays / P. V. Yuldashev, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2011. — Vol. 57, no. 3. — P. 334–343.

[4] Setting boundary conditions to the Khokhlov–Zabolotskaya equation for modeling ultrasound fields generated by strongly focused transducers / P. B. Rosnitskiy, P. V. Yuldashev, B. A. Vysokanov, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2016. — Vol. 62, no. 2. — P. 151–159. DOI: 10.1134/S1063771016020123

[5] Численное моделирование нелинейного параболического уравнения для анализа статистики воспринимаемого уровня шума волны звукового удара после прохождения турбулентного слоя атмосферы / П. В. Юлдашев, М. М. Карзова, В. А. Хохлова, Ф. Блан-Бенон // Акустический журнал. — 2021. — Т. 67, № 1. — С. 31–44. DOI: 10.31857/S0320791921010068

[6] Simulating and measuring the acoustic radiation force of a focused ultrasonic beam on elastic spheres in water / A. V. Nikolaeva, M. M. Karzova, S. A. Tsysar et al. // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2019. — Vol. 83, no. 1. — P. 77–81. DOI: 10.3103/S1062873819010192

[7] Simulation of nonlinear trans-skull focusing and formation of shocks in brain using a fully populated ultrasound array with aberration correction / P. B. Rosnitskiy, P. V. Yuldashev, O. A. Sapozhnikov et al. // Journal of the Acoustical Society of America. — 2019. — Vol. 146, no. 3. — P. 1786–1798. DOI: 10.1121/1.5126685

[8] Fully nonlinear three-dimensional modeling of parametric interactions in the field of a dual-frequency acoustic array / A. V. Kvashennikova, P. V. Yuldashev, V. A. Khokhlova, I. B. Esipov // Journal of the Acoustical Society of America. — 2024. — Vol. 155, no. 3. — P. 1682–1693. DOI: 10.1121/10.0025049

[9] Three-dimensional wide-angle parabolic equations with propagator separation based on finite fourier series / P. V. Yuldashev, E. O. Konnova, M. M. Karzova, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2024. — Vol. 70, no. 5. — P. 783–796. DOI: 10.1134/S1063771024602206

[10] Demodulation of pulsed acoustic signals in strongly nonlinear propagation regimes / A. V. Kvashennikova, M. S. Sergeeva, P. V. Yuldashev et al. // Acoustical Physics. — 2024. — Vol. 70, no. 5. — P. 797–807. DOI: 10.1134/S1063771024602279

[11] Impact of the trajectory of treatment on the rate of thermal ablation and ablated volume of biological tissue irradiated by shockwave focused ultrasonic exposure / P. A. Pestova, P. V. Yuldashev, V. A. Khokhlova, M. M. Karzova // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2024. — Vol. 88, no. 1. — P. 108–112.

[12] Thermal ablation of biological tissue by sonicating discrete foci in a specified volume with a single wave burst with shocks / P. A. Pestova, P. V. Yuldashev, V. A. Khokhlova, M. M. Karzova // Acoustical Physics. — 2024. — Vol. 70, no. 3. — P. 434–443.

[13] The use of focused ultrasound beams with shocks to suppress diffusion effects in volumetric thermal ablation of biological tissue / P. A. Pestova, M. M. Karzova, P. V. Yuldashev, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2023. — Vol. 69, no. 4. — P. 448–458.

[14] Comparative characterization of nonlinear ultrasound fields generated by Sonalleve V1 and V2 MR-HIFU systems / M. M. Karzova, W. Kreider, A. Partanen et al. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. — 2023. — Vol. 70, no. 6. — P. 521–537. DOI: 10.1109/TUFFC.2023.3261420

[15] Compensation for aberrations when focusing ultrasound through the skull based on CT and MRI data / D. D. Chupova, P. B. Rosnitskiy, O. V. Solontsov et al. // Acoustical Physics. — 2024. — Vol. 70, no. 2. — P. 288–298.

[16] Compensation for aberrations of focused ultrasound beams in transcranial sonications of brain at different depths / D. D. Chupova, P. B. Rosnitskiy, L. R. Gavrilov, V. A. Khokhlova // Acoustical Physics. — 2022. — Vol. 68, no. 1. — P. 1–10. 

[17] Nonlinear ultrasound fields generated by an annular array with electronic and geometric adjustment of its focusing angle / E. M. Ponomarchuk, P. V. Yuldashev, D. A. Nikolaev et al. // Acoustical Physics. — 2023. — Vol. 69, no. 4. — P. 459–470. DOI: 10.1134/S1063771023600560

[18] Dependence of inertial cavitation induced by high intensity focused ultrasound on transducer F-number and nonlinear waveform distortion / T. Khokhlova, P. Rosnitskiy, C. Hunter et al. // Journal of the Acoustical Society of America. — 2018. — Vol. 144, no. 3. — P. 1160–1169. DOI: 10.1121/1.5052260

[19] Performance and accuracy analysis of nonlinear k-Wave simulations using local domain decomposition with an 8-GPU server / B. Treeby, F. Vaverka, J. Jaros // Proc. Mtgs. Acoust. / 2018. — Vol. 34. — P. 022002. DOI: 10.1121/2.0000883

[20] Shock formation and nonlinear saturation effects in the ultrasound field of a diagnostic curvilinear probe / M. M. Karzova, P. V. Yuldashev, O. A. Sapozhnikov et al. // Journal of the Acoustical Society of America. — 2017. — Vol. 141, no. 4. — P. 2327–2337. DOI: 10.1121/1.4979261

[21] On the possibility of using multi-element phased arrays for shock-wave action on deep brain structures / P. Rosnitskiy, L. Gavrilov, P. Yuldashev et al. // Acoustical Physics. — 2017. — Vol. 63, no. 5. — P. 531–541. DOI: 10.1134/S1063771017050104

[22] Viscoelastic nonlinear resonator with gas-filled cavities / T. B. Krit, V. G. Andreev, I. Yu. Demin // Acta Acustica united with Acustica — 2015. — Vol. 101, no. 5. — P. 915–919.  DOI: 10.3813/AAA.918886

[23] Особенности применения ультразвуковых фазированных решеток с различным количеством элементов при облучении тканей в присутствии ребер / С.А. Ильин, Л.Р. Гаврилов, В.А. Хохлова // Учёные записки физического факультета МГУ. — 2014. — Т. 5 . — С. 145342.

Лаборатория медицинского и промышленного ультразвука
©️ 2024 — все права защищены