[논문 리뷰] SIMUS: an open-source simulator for ultrasound imaging. Part I: theory & examples

Damien Garcia|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 04.

Ultrasound Imaging and Elastography참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

SIMUS는 원근법 및 축근사다각 근사법을 사용하여 초음파 영상의 빠르고 교육적이고 연구용으로 활용 가능한, 오픈소스이자 Matlab 기반의 초음파 시뮬레이터이다. 이는 선형 및 볼록 프로브를 위한 음압장과 RF 신호를 효율적으로 계산할 수 있게 하며, 주파수 도메인에서 이론적 기반을 충분히 갖춘 사용자 友好的한 도구를 제공하고, LGPL 라이선스 하에 오픈소스 코드를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 연구 및 교육을 위한 빠르고 사용하기 쉬우며 교육적 성향을 지닌 초음파 시뮬레이터 개발
• 초음파 영상 시퀀스를 시뮬레이션하기 위한 선형 음향 이론에 기반한 종합적이고 오픈소스 도구 제공
• 정확한 시뮬레이션을 통해 새로운 투과 전략, 빔포밍 기법 및 프로브 설계의 빠른 프로토타이핑 가능
• 연구자와 학생들이 사용하기 쉽게 이론적 배경이 상세히 기재되고 접근성이 높은 코드를 제공하는 턴키 솔루션 제공
• Field II, k-Wave, Verasonics와 같은 기존 시뮬레이터와의 비교를 가능하게 하는 표준화된 벤치마크를 통한 비교 지원

제안 방법

• 시뮬레이터는 초음파 파동의 전파를 모델링하기 위해 원근법 및 축근사다각 근사를 사용한다.
• 레이일리 적분과 허이겐스 원리를 기반으로 한 해석적 해를 사용하여 주파수 도메인에서 음압장을 계산한다.
• RF 신호는 압력장을 후방 투영하여 수신된 신호를 시뮬레이션하기 위해 합성된다.
• 일반적인 선형 및 볼록 어레이 프로브를 지원하며, 사용자 정의 가능한 요소 기하학 및 자극 파arameter를 제공한다.
• 벡터 연산을 활용하여 Matlab 환경과 원활하게 통합되도록 최적화된 속도 중심의 구현이다.
• 코드는 GNU 소프트웨어 공공 라이선스( Lesser General Public License) 하에 배포되어 재사용, 수정 및 배포가 가능하며 투명성 보장

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SIMUS는 파라엑셜 근사를 사용하여 다양한 프로브 구성에 대해 음압장과 RF 신호를 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 Field II, k-Wave, Verasonics와 같은 기존 초음파 시뮬레이터와 비교해 SIMUS는 시뮬레이션 속도에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 SIMUS는 초음파 빔포밍 및 투과 전략에 대한 교육적 이해를 어느 정도 지원하는가?
• RQ4 SIMUS의 오픈소스 성격은 초음파 연구에서 재현 가능성과 확장성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 SIMUS는 이론적 정확성과 계산 효율성을 유지하면서도 복잡한 영상 시퀀스를 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는가?

주요 결과

• SIMUS는 원근법 및 축근사다각 근사를 기반으로 한 해석 모델을 사용하여 초음파 압력장과 RF 신호의 빠르고 정확한 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 시뮬레이터의 빠른 속도와 사용 용이성 덕분에 실시간 프로토타이핑 및 교육적 응용에 적합하다.
• LGPL 라이선스 하에 오픈소스로 배포되어 연구 커뮤니티의 전면적 투명성, 재현 가능성 및 확장성 보장.
• SIMUS는 초음파 영상 물리학에 대한 교육적 활용과 깊이 있는 이해를 뒷받침하는 종합적인 이론적 기반을 제공한다.
• 연구 및 교육 현장에서 즉시 사용할 수 있도록 통합 문서화 및 예제 스크립트를 포함한 턴키 솔루션으로 설계되어 있다.
• 논문의 두 번째 부분은 SIMUS가 Field II, k-Wave, Verasonics와 같은 기존 시뮬레이터와 핵심 시뮬레이션 작업에서 유사한 성능을 보임을 보여준다.