Browsing by Author "Almuna Morales, Alberto"

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    Full-Wave Modeling of Transcranial Ultrasound using Volume-Surface Integral Equations and CT-Derived Heterogeneous Skull Data
    (2025) Almuna Morales, Alberto; Aballay Fernandez, Danilo Ignacio; Gélat, Pierre; Haqshenas, Reza; Vant Wout, Elwin
    Transcranial ultrasound therapy uses focused acoustic energy to induce therapeutic bioeffects in the brain. Ultrasound is transmitted through the skull, which is highly attenuating and heterogeneous, causing beam distortion, reducing focal pressure, and shifting the target location. Computational models are frequently used for predicting beam aberration, assessing cranial heating, and correcting the phase of ultrasound transducers. These models often rely on computed tomography (CT) images to build patient-specific geometries and estimate skull acoustic properties. However, the coarse voxel resolution of CT limits accuracy for differential equation solvers. This paper presents an efficient numerical method based on volume-surface integral equations to model full-wave acoustic propagation through heterogeneous skull tissue. We have shown that this approach is highly accurate on relatively coarse meshes compared to the minimum wavelength, enabling direct use of CT voxel data. The method is validated against a high-resolution boundary element model using an averaged skull representation. Simulations with a CT-based skull model and a bowl transducer show significant beam distortion and attenuation, with a focal shift of several millimeters from the homogeneous case
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    Hierarchical matrix compression for fast numerical methods to simulate focused ultrasound
    (2025) Almuna Morales, Alberto; Wout, Elwin van't; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    El ultrasonido focalizado (FUS) ha emergido como una modalidad terapéutica no invasiva y prometedora para aplicaciones que van desde el tratamiento del cáncer hasta la neuro modulación, ofreciendo una alta precisión en la focalización del objetivo médico del área a tratar. Sin embargo, para lograr terapias FUS efectivas, se requieren simulaciones precisas de la propagación de las ondas acústicas dentro del cuerpo humano con el objetivo de lograr una planificación adecuada del tratamiento específico para cada paciente, lo que exige altos recursos computacionales para manejar frecuencias y precisiones realistas. A fin de abordar el desafío de trabajar con matrices grandes y densas producidas por algunos métodos numéricos utilizados en contextos de FUS, como el Método de Elementos de Borde y Ecuaciones Integrales de Volumen y Superficie, este estudio desarrolla e implementa varias técnicas de compresión jerárquica de matrices. Logramos mejorar la estabilidad numérica de los algoritmos de compresión y los aplicamos a simulaciones de ultrasonido transcraneal utilizando una tomografía computarizada de un cráneo humano real. Nuestra metodología demostró una mejor utilización de los recursos computacionales mientras se mantienen los requisitos de precisión y frecuencia operacionales.