The numerical simulation of weakly nonlinear ultrasound is important in treatment planning for focused ultrasound (FUS) therapies. However, the large domain sizes and generation of higher harmonics at the focus make these problems extremely computationally demanding. Numerical methods typically employ a uniform mesh fine enough to resolve the highest harmonic present in the problem, leading to a very large number of degrees of freedom. This paper proposes a more efficient strategy in which each harmonic is approximated on a separate mesh, the size of which is proportional to the wavelength of the harmonic. The increase in resolution required to resolve a smaller wavelength is balanced by a reduction in the domain size. This nested meshing is feasible owing to the increasingly localised nature of higher harmonics near the focus. Numerical experiments are performed for FUS transducers in homogeneous media in order to determine the size of the meshes required to accurately represent the harmonics. In particular, a fast \emph{volume potential} approach is proposed and employed to perform convergence experiments as the computation domain size is modified. This approach allows each harmonic to be computed via the evaluation of an integral over the domain. Discretising this integral using the midpoint rule allows the computations to be performed rapidly with the FFT. It is shown that at least an order of magnitude reduction in memory consumption and computation time can be achieved with nested meshing. Finally, it is demonstrated how to generalise this approach to inhomogeneous propagation domains.


翻译:微弱非线性超声波的数值模拟对于重点超声波(FUS)疗法的治疗规划十分重要。 但是,在焦点点的广域大小和高声调的生成使得这些问题在计算上极为苛刻。 数字方法通常使用统一的网格,足以解决问题中存在的最大调和, 导致大量自由。 本文建议了一种更有效的战略, 使每个口音都接近于一个单独的网格, 其大小与声波波长度成正比。 用于解决较小波长的分辨率的增加通过缩小域面积来平衡。 这种嵌套式网格是可行的, 因为在焦点点附近, 更高声波调的日益本地化性质使这种网格化的网格变得日益明显。 为统一媒体的FUS Transporter 进行数字实验, 以便确定准确代表调和调的缩放大小。 特别是, 提出一种快速的计算方法, 用于计算域大小时进行趋同实验。 这种方法使每个口相近的波长分辨率能够通过域域内的最小化方法, 使这个内程能够快速计算, 通过内部的计算, 使这个内部的内径的计算可以迅速计算, 。 将它显示, 和直径的内径的计算可以迅速计算, 。

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