COMSOL | 生物组织声热场仿真热损伤模型

引读： 随着医学影像技术和治疗方法的不断进步 ，生物组织的声热效应逐渐成为研究的热点。 尤其是在超声波医疗领域，通过声波引发的热损伤模型成为重要的研究方向。 本文将探讨如何利用 COMSOL Multiphysics 对生物组织中的声热场进行仿真，并建立热损伤模型，揭示其在医学应用中的重要性与前景。

一、声热效应概述

声热效应是指声波在传播过程中与介质相互作用所产生的热量。这种效应在医学中有着广泛的应用，特别是在超声治疗和超声成像领域。声波在生物组织中传播时，会导致局部温度升高，从而可能引发组织损伤。理解和预测这种热效应对提高治疗效果、减少副作用至关重要。

二、COMSOL 中的生物组织声热场仿真

COMSOL Multiphysics 是一款强大的多物理场仿真软件，能够对生物组织中的声热效应进行深入分析。下面介绍使用 COMSOL 进行声热场仿真的主要步骤：

1.几何模型建立 ：

在 COMSOL 中建立生物组织的几何模型是仿真的第一步。生物组织通常具有复杂的结构特征，如不同的组织层次和细胞结构。通过 COMSOL 的建模工具，可以精确地描绘这些复杂结构，为仿真提供准确的基础。

2.定义声学和热学材料属性：

对于生物组织的声热场仿真，需要定义其声学和热学性质。声学属性包括声速、密度和声阻抗；热学属性则包括热导率、比热容和组织的初始温度。COMSOL 提供了丰富的材料库和自定义选项，允许用户根据实际需求进行设置。

3.设置声场和热场方程：

在 COMSOL 中，可以通过“声学模块”和“热传导模块”来模拟声波的传播和热量的传导。首先，定义声源的类型和位置，例如点声源或线声源，然后设置声波的频率和强度。接着，建立与声波传播相关的热场方程，考虑声波引起的局部温度升高。

4.网格划分：

精确的网格划分是确保仿真结果可靠性的关键步骤。COMSOL 提供了自动和手动网格划分工具，可以在生物组织的关键区域如声源附近和组织边界处细化网格，以提高计算精度。

5.仿真计算和结果分析：

配置求解器并运行仿真。COMSOL 将计算声波在生物组织中的传播、引发的热效应以及温度变化。通过结果分析工具，用户可以获得声压分布、温度场分布和热效应的时间演变数据。这些结果有助于理解声波引发的热损伤机制。

图1 多层均匀组织表面声压

图2 多层均匀组织温度

三、热损伤模型的建立与应用

建立热损伤模型是分析生物组织在声热场中响应的关键。COMSOL 允许用户将热损伤模型集成到仿真中，具体步骤包括：

6.定义热损伤机制：

热损伤机制通常基于温度阈值和组织的耐受能力。用户可以设定不同的损伤阈值，以模拟不同温度下组织的损伤情况。例如，高温下可能引发蛋白质变性或细胞死亡，而较低的温度升高可能导致细胞功能损伤。