Numerical simulation of volumetric ultrasound heating of biological tissue with surface cooling

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

One of the undesirable effects of using ultrasound for extracorporeal therapy is skin overheating, caused by both ultrasound absorption and contact with the heated surface of the acoustic transducer. To suppress this effect, a forcibly cooled contact medium can be placed between the skin and the irradiating surface. A novel ultrasonic applicator implementing this approach has recently been proposed and developed at SFU. It uses a rectangular piezoelectric transducer bonded to an aluminum plate for volumetric heating of subcutaneous biotissue. The plate is cooled by circulating cold water through laterally drilled channels. This paper presents a numerical algorithm for calculating the three-dimensional temperature field in the tissue during the operation of this applicator. The simulation was based on the inhomogeneous heat equation. Experimental acoustic holography data obtained for the developed transducer were used to calculate the heat sources in the tissue. An example of heating bovine liver tissue ex vivo is considered, with irradiation times ranging from several seconds to several minutes. The simulation results were compared with experimental data on tissue thermal ablation at an acoustic power of 12 W and an ultrasound frequency of 6.96 MHz. It is shown that the combination of thermal tissue exposure and contact boundary cooling allows for volumetric tissue heating with a temperature maximum at a depth of 8 to 15 mm, while maintaining a negligible temperature change at depths up to 2–3 mm.

About the authors

P. A. Pestova

Moscow State University

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru
Moscow, Russia, 119991

A. N. Rybyanets

Research Institute of Physics

Rostov on Don, Russia, 344090

O. A. Sapozhnikov

Moscow State University

Moscow, Russia, 119991

M. M. Karzova

Moscow State University

Moscow, Russia, 119991

P. V. Yuldashev

Moscow State University

Moscow, Russia, 119991

S. A. Tsysar

Moscow State University

Moscow, Russia, 119991

L. M. Kotelnikova

Moscow State University

Moscow, Russia, 119991

I. A. Shvetsov

Research Institute of Physics

Rostov on Don, Russia, 344090

V. A. Khokhlova

Moscow State University

Moscow, Russia, 119991

References

  1. Еняков А.М.Метрологические проблемы применения ультразвука в физиотерапии // АСМ. 2015. Т. 3. №4. С. 152–193.
  2. Mougenot C., Köhler M.O., Enholm J., Quesson B., Moonen C.Quantification of near-field heating during volumetric MR-HIFU ablation // Med. Phys. 2011. V. 38. P. 272–282.
  3. Crouzet S., Chapelon J.Y., Rouviere O., Mege-Lechevallier F., Colombel M., Tonoli-Catez H., Martin X., Gelet A.Whole-gland ablation of localized prostate cancer with high-intensity focused ultrasound oncologic outcomes and morbidity in 1002 patients // Eur. Urol. 2014. V. 65. P. 907–914.
  4. Laubach H.J., Makin I.R., Barthe P.G., Slayton M.H., Manstein D.Intense focused ultrasound: evaluation of a new treatment modality for precise microcoagulation within the skin // Dermatol. Surg. 2008.V. 34. № 5.P. 727–734.
  5. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г.,Крам Л.А.Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 4. С. 437–464.
  6. Haar G.Therapeutic applications of ultrasound // Prog. Biophys. Mol. Biol. 2007. V. 93. P. 111–129.
  7. Ko E.J., Hong J.Y., Kwon T.R., Choi E.J., Jang Y.J., Choi S.Y., Yoo K.H., Kim S.Y., Kim B.J.Efficacy and safety of non-invasive body tightening with high-intensity focused ultrasound (HIFU) // Skin Res. Technol. 2017. V. 23. № 4. P. 558–562.
  8. Al-Jumaily A.M., Liaquat H., Paul S.Focused ultrasound for dermal applications // Ultrasound Med. Biol. 2024. V. 50. № 1. P. 8–17.
  9. Day D.Microfocused ultrasound for facial rejuvenation: current perspectives // Res. rep. focus. ultrasound. 2014. V. 2. P. 13–17.
  10. Gutowski K.A. Microfocused ultrasound for skin tightening // Clin. Plast. Surg. 2016. V. 43. № 3. P. 577–582.
  11. Oni G., Hoxworth R., Teotia S., Brown S., Kenkel J.M.Evaluation of a microfocused ultrasound system for improving skin laxity and tightening in the lower face // Aesthet. Surg. J. 2014. V. 34. № 7. P. 1099–1110.
  12. White W.M., Makin I.R., Barthe P.G., Slayton M.H., Gliklich R.E. Selective creation of thermal injury zones in the superficial musculoaponeurotic system using intense ultrasound therapy: a new target for noninvasive facial rejuvenation // Arch. Facial Plast. Surg. 2007. V. 9. № 1. P. 22–29.
  13. MacGregor J.L., Tanzi E.L. Microfocused ultrasound for skin tightening // Semin Cutan Med. Surg. 2013. V. 32. № 1. P. 18–25.
  14. Checcucci E. et al.The real-time intraoperative guidance of the new HIFU Focal-OneNAplatform allows to minimize the perioperative adverse events in salvage setting // J. Ultrasound.2022. V. 25. № 2. P. 225–232.
  15. Lee H.J., Lee M.H., Lee S.G., Yeo U.C., Chang S.E..Evaluation of a novel device, high-intensity focused ultrasound with a contact cooling for subcutaneous fat reduction // Lasers Surg. Med. 2016. V. 48. № 9. P. 878–886.
  16. Brown S.A., Greenbaum L., Shtukmaster S., Zadok Y., Ben-Ezra S., Kushkuley L. Characterization of nonthermal focused ultrasound for noninvasive selective fat cell disruption (lysis): technical and preclinical assessment // Plast. Reconstr. Surg. 2009. V. 124. № 1. P. 92–101.
  17. Hongcharu W., Boonchoo K., Gold M.H.The efficacy and safety of the high-intensity parallel beam ultrasound device at the depth of 1.5 mm for skin tightening //J.Cosmet. Dermatol. 2023.V. 22. № 5.P. 1488–1494.
  18. Рыбянец А.Н., Швецов И.А., Швецова Н.А., Цысарь С.А., Котельникова Л.М., Хохлова В.А., Сапожников О.А.Cочетание объемного ультразвукового нагрева с поверхностным охлаждением как новый метод пространственной и временной локализации теплового воздействия на биоткани // Сборник Трудов XXXVI сессии Российского акустического общества. М.:ГЕОС, 2024.С. 1180–1186.
  19. Rybyanets A.N., Shvetsov I.A., Shvetsova N.A., Marakhovsky M.A., Kolpacheva N.A. Microstructure, complex electromechanical parameters and dispersion characteristics of ferroelectrically “hard” piezoceramics // J. Adv. Dielectrics. 2025. V. 15. № 3. P. 2540001.
  20. Sapozhnikov O.A., Tsysar S.A., Khokhlova V.A., Kreider W. Acoustic holography as a metrological tool for characterizing medical ultrasound sources and fields // J. Acoust. Soc. Am.2015. V. 138. № 3. P. 1515–1532.
  21. Nikolaev D.A., Tsysar S.A., Khokhlova V.A., Kreider W., Sapozhnikov O.A.Holographic extraction of plane waves from an ultrasound beam for acoustic characterization of an absorbing layer of finite dimensions // J. Acoust. Soc. Am. 2021. V. 149. № 1. P. 386.
  22. Wong G.S., Zhu S.Speed of sound in seawater as a function of salinity, temperature, and pressure // J. Acoust. Soc. Am. 1995. V. 97. № 3. P. 1732–1736.
  23. Keravnou C.P., Izamis M.-L., Averkiou M.A.Method for estimating the acoustic pressure in tissues using low-amplitude measurements in water // Ultrasound Med. Biol. 2015.V. 41. № 11.P. 3001–3012.
  24. Андрияхина Ю.С., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Хохлова В.А.Ускорение тепловой абляции объемов биологической ткани с использованием фокусированных ультразвуковых пучков с ударными фронтами // Акуст. журн.2019.Т. 65. № 2.С. 1—12.
  25. Duck F.A.Physical properties of tissue. London: Academic Press, 1990. https://itis.swiss/virtual-population/tissue-properties/database/acoustic-properties/
  26. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 736 с.
  27. Пестова П.А., Карзова М. М., Юлдашев П. В., Крайдер У., Хохлова В.А.Влияние траектории перемещения фокуса на равномерность температурного поля при импульсном воздействии мощного ультразвукового пучка на биологическую ткань // Акуст. журн.2021.Т. 57. № 3.С. 250–259.
  28. Sapareto S.A., Dewey W.C.Thermal dose determination in cancer therapy // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1984. V. 10. № 6. P. 787–800.
  29. ХиллК.Р.,БэмберДж.Ультразвук в медицине. Физические основы применения. Под ред. тер Хаар Г. Пер. с англ. М.: Физматлит, 2008.
  30. Fan X., Hynynen K. Ultrasound surgery using multiple sonications — treatment time considerations // Ultrasound Med. Biol. 1996. V. 22. № 4. P. 471–482.
  31. Venkatesan A.M., Partanen A., Pulanic T.K., Dreher M.R., Fischer J., Zurawin R.K., Muthupillai R., Sokka S., Nieminen H.J., Sinaii N., Merino M., Wood B.J., Stratton P. Magnetic resonance imaging-guided volumetric ablation of symptomatic leiomyomata: correlation of imaging with histology // J. Vasc. Interv. Radiol. 2012. V. 23. № 6. P. 786–794.
  32. Крамаренко Н.В. Обзор способов вывода критериев подобия в механике // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. Науки. 2021. T. 25. №1. С. 163–192.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».