[論文レビュー] SIMUS: an open-source simulator for ultrasound imaging. Part I: theory & examples

Damien Garcia|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2021

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

SIMUS は、遠方近似および軸近似を用いた、迅速で教育的・研究用途に適した、Matlab で実装されたオープンソースの超音波シミュレータです。音響圧力場および RF 信号の効率的計算を可能にし、線形および凸型プローブの両方を対象としています。周波数ドメインにおけるユーザーフレンドリーなツールとして、包括的な理論的基盤と LGPL ライセンス下でのオープンソースコードを備えています。

ABSTRACT

Computational ultrasound imaging has become a well-established methodology in the ultrasound community. Simulations of ultrasound sequences and images allow the study of innovative techniques in terms of emission strategy, beamforming and probe design. There is a wide spectrum of software dedicated to ultrasound imaging, each having its specificities in its applications and in the numerical method. I describe in this two-part paper a new ultrasound simulator (SIMUS) for Matlab, which belongs to the Matlab UltraSound Toolbox (MUST). The SIMUS software is based on far-field and paraxial approximations. It simulates acoustic pressure fields and radiofrequency RF signals for uniform linear or convex probes. SIMUS is an open-source software whose features are 1) rapidity, 2) ease of use, 3) frequency domain, 4) pedagogy. The main goal was to offer a comprehensive turnkey tool, along with a detailed theory for pedagogical and research purposes. This first part of the paper describes in detail the underlying linear theory of SIMUS and provides examples of simulated acoustic fields and ultrasound images. The second part is devoted to the comparison of SIMUS with popular software: Field II, k-Wave, and the Verasonics simulator. The Matlab open codes for the simulator SIMUS are distributed under the terms of the GNU Lesser General Public License, and can be downloaded from this https URL.

研究の動機と目的

• 研究および教育用途に適した、高速で使いやすく、教育的指向の超音波シミュレータの開発を目的とする。
• 超音波画像化シーケンスのシミュレーションを可能にする、線形音響理論に基づく包括的でオープンソースのツールを提供することを目的とする。
• 正確なシミュレーションを通じて、新しい送信戦略、ビームフォーミング技術、プローブ設計の迅速なプロトタイピングを可能にすることを目的とする。
• 研究者および学生が理論的背景とアクセスしやすいコードを容易に活用できる、即戦力のソリューションを提供することを目的とする。
• Field II や k-Wave、Verasonics といった既存のシミュレータとの比較を可能にするため、標準化されたベンチマークを通じて性能を評価することを目的とする。

提案手法

• シミュレータは、超音波の伝搬をトランスデューサーエレメントからモデル化するため、遠方近似および軸近似を用います。
• レイリー積分およびホイヘンスの原理に基づく解析的解を用いて、周波数ドメインにおける音響圧力場を計算します。
• 電波周波数（RF）信号は、圧力場を逆投影することで、トランスデューサーでの受信信号をシミュレートするために合成されます。
• 均一な線形アレイおよび凸アレイプローブをサポートし、要素の幾何学的形状および励起パrameters をカスタマイズ可能です。
• ベクトル化された演算を用いて、Matlab 環境にシームレスに統合された、高速化された実装が特徴です。
• コードは GNU 少数一般公衆ライセンス（LGPL）の下でリリースされており、再利用、改変、配布が完全に透明性を保ちながら可能となっています。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SIMUS は、軸近似を用いて、異なるプローブ構成における音響圧力場および RF 信号をどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ2 Field II や k-Wave、Verasonics といった既存の超音波シミュレータと比較して、SIMUS はシミュレーション速度でどの程度の性能向上を達成しているか？
• RQ3 SIMUS は、超音波ビームフォーミングおよび送信戦略の教育的理解をどの程度サポートしているか？
• RQ4 SIMUS のオープンソース性は、超音波研究における再現性および拡張性をどのように向上させるか？
• RQ5 SIMUS は、計算効率と理論的整合性を保ちながら、複雑な画像化シーケンスを効果的にシミュレートできるか？

主な発見

• SIMUS は、遠方近似および軸近似に基づく解析的モデルを用いて、超音波圧力場および RF 信号の高速かつ正確なシミュレーションを可能にします。
• シミュレータは、速度と使いやすさに最適化されており、リアルタイムのプロトタイピングおよび教育的応用に適しています。
• LGPL ライセンス下でのオープンソースリリースにより、研究コミュニティにおける完全な透明性、再現性、拡張性が保証されています。
• SIMUS は、教育的利用および超音波画像化物理学の深い理解を支援する包括的な理論的基盤を提供しています。
• ソフトウェアは、統合されたドキュメンテーションおよび例題スクリプトを備えた即戦力のソリューションとして設計されており、研究および教育現場での即時利用が可能になっています。
• 論文の第2部では、SIMUS が Field II や k-Wave、Verasonics といった既存のシミュレータと、主なシミュレーションタスクにおいて同等の性能を示すことが示されています。