[論文レビュー] SIMUS: an open-source simulator for ultrasound imaging. Part II: comparison with three popular simulators

Amanda Cigier, François Varray+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2021

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、均一媒質を用いて、MATLABで開発されたオープンソースの超音波シミュレータであるSIMUSを、Field II、k-Wave、Verasonicsの3つの既存シミュレータと比較して評価している。SIMUSは、遠方近似および軸対称近似を用いた調和領域の線形方程式を採用し、圧力場とRF信号を生成する。その結果、Field IIおよびk-Waveと同等の精度を示し、視覚的には類似した外観を示すが、Verasonicsは顕著な差異を示した。これは、SIMUSがリアルな超音波シミュレーションの信頼できる代替手段であることを裏付けている。

ABSTRACT

Computational ultrasound imaging has become a well-established methodology in the ultrasound community. In the accompanying paper (part I), we described a new ultrasound simulator (SIMUS) for Matlab, which belongs to the Matlab UltraSound Toolbox (MUST). SIMUS can generate pressure fields and radiofrequency RF signals for simulations in medical ultrasound imaging. It works in a harmonic domain and uses linear equations derived from far-field and paraxial approximations. In this article (part II), we illustrate how SIMUS compares with three popular ultrasound simulators (Field II, k-Wave, and Verasonics) for a homogeneous medium. We designed different transmit sequences (focused, planar, and diverging wavefronts) and calculated the corresponding 2-D and 3-D (with elevation focusing) RMS pressure fields. SIMUS produced pressure fields similar to those of Field II and k-Wave. The acoustic fields provided by the Verasonics simulator were significantly different from those of SIMUS and k-Wave, although the overall appearance remained consistent. Our simulations tend to demonstrate that SIMUS is reliable and can be used on a par with Field II and k-Wave for realistic ultrasound simulations.

研究の動機と目的

• 新しいオープンソースの超音波シミュレータであるSIMUSの正確性と信頼性を、3つの広く使用されているシミュレータと比較して評価すること。
• 医療超音波研究における、透明性があり、アクセス可能で、数学的に根拠のあるシミュレーションツールのニーズに対応すること。
• 均一媒質内でのさまざまな送信シーケンスおよび焦点化設定において、SIMUSの性能を検証すること。
• 特に2次元および3次元のエレベーション焦点化を含む状況において、異なるシミュレーションプラットフォーム間での音響場予測の一貫性を評価すること。
• SIMUSを、特許権のある複雑なシミュレーションツールとは対照的に、実用的でオープンソースの代替手段として確立すること。

提案手法

• SIMUSは、遠方近似および軸対称近似を用いた調和領域における線形方程式を用いて、圧力場と電波周波数（RF）信号を生成する。
• このシミュレータは、2次元および3次元の両方のシミュレーションに対応し、焦点化、平面波、発散波面のさまざまな送信シーケンスをサポートする。
• 音響場の計算は、レイリー積分および軸対称近似に基づく解析的解を用いて周波数領域で実行される。
• シミュレータ間のモデル化アプローチの違いを隔離するために、均一媒質内でシミュレーションが実施された。
• 根平均平方（RMS）圧力場が計算され、SIMUS、Field II、k-Wave、Verasonicsとの間で定量的および定性的に比較された。
• 3次元シミュレーションではエレベーション焦点化が組み込まれ、ボリュメトリックイメージング構成における性能評価が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 均一媒質内での圧力場シミュレーションにおいて、SIMUSはField II、k-Wave、Verasonicsと比べてどの程度の正確性を示すか？
• RQ2 さまざまな送信シーケンスにおいて、SIMUSの音響場予測が、既存のシミュレータとどの程度一致するか？
• RQ3 物理的モデリングアプローチが異なるVerasonicsと比較して、SIMUSの結果は視覚的および定量的にどの程度一致するか？
• RQ4 SIMUSは、2次元および3次元の両方の構成において、Field IIおよびk-Waveと同等の信頼性の高い高精細度の超音波シミュレーションを生成できるか？
• RQ5 遠方近似および軸対称近似を用いることで、SIMUSが生成するRF信号および圧力場の忠実度にどのような影響が生じるか？

主な発見

• SIMUSが生成したRMS圧力場は、すべてのテスト済み送信シーケンスおよび構成において、Field IIおよびk-Waveと非常に一致していた。
• Verasonicsの音響場は、外観は類似していたが、SIMUSおよびk-Waveとは顕著な乖離を示した。
• Verasonicsの出力に見られる差異は、その独自の物理的モデリングアプローチに起因するとされ、解析的シミュレータとの直接比較に限界がある可能性を示唆している。
• SIMUSは、エレベーション焦点化を含む2次元および3次元の両方のシミュレーションにおいて、強力な性能を示し、ボリュメトリック超音波シミュレーションの能力を確認した。
• 結果から、SIMUSはリアルな超音波シミュレーションにおいて、Field IIおよびk-Waveと同等の信頼できるオープンソースの代替手段であると結論づけられた。
• 本研究は、調和領域の線形方程式に基づくSIMUSが、均一媒質内において高精度で超音波伝搬を効果的にモデル化できることを確認した。