[논문 리뷰] SIMUS: an open-source simulator for ultrasound imaging. Part II: comparison with three popular simulators

Amanda Cigier, François Varray외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 09.

Ultrasound Imaging and Elastography참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 동질성 매질에서 Field II, k-Wave, Verasonics와 같은 기존의 세 가지 시뮬레이터와 비교하여 MATLAB에서 개발된 오픈소스 초음파 시뮬레이터인 SIMUS를 평가한다. SIMUS는 압력장과 RF 신호를 생성하기 위해 원형 도메인의 선형 방정식과 원거리 근사 및 축근사 근사(approximations)를 사용한다. 이는 Field II 및 k-Wave와 유사한 정확도를 보이며, 외관상 유사한 모습을 보이지만 상당한 차이를 보인 Verasonics와는 대조된다. 이는 SIMUS가 현실적인 초음파 시뮬레이션을 위한 신뢰할 수 있는 대안임을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 새로운 오픈소스 초음파 시뮬레이터인 SIMUS의 정확성과 신뢰성에 대해 기존의 널리 사용되는 세 시뮬레이터와 비교 평가하는 것.
• 의료 초음파 연구 분야에서 투명하고 접근 가능하며 수학적으로 기반을 둔 시뮬레이션 도구의 필요성을 해결하는 것.
• 동질성 매질에서 다양한 전송 시퀀스와 집중 설정 구성에서 SIMUS의 성능을 검증하는 것.
• 특히 2D 및 3D에서 축방향 집중을 포함한 경우에, 다양한 시뮬레이션 플랫폼 간의 음향장 예측 일관성을 평가하는 것.
• SIMUS를 전문적이거나 복잡한 시뮬레이션 도구의 대체로 사용 가능한 오픈소스 대안으로 정립하는 것.

제안 방법

• SIMUS는 원거리 근사 및 축근사 근사를 활용한 허수 도메인에서 유도된 선형 방정식을 사용하여 압력장과 전파주파수(RF) 신호를 생성한다.
• 이 시뮬레이터는 2D 및 3D 시뮬레이션 모두에서 집중된, 평면형, 산란된 파면을 포함한 다양한 전송 시퀀스를 지원한다.
• 음향장 계산은 레일리 적분과 축근사 근사를 기반으로 한 해석적 해를 사용하여 주파수 도메인에서 수행된다.
• 모델링 접근 방식의 차이를 분리하기 위해 동질성 매질에서 시뮬레이션을 수행하였다.
• SIMUS, Field II, k-Wave, Verasonics 간의 루트 평균 제곱(RMS) 압력장을 수치적으로 및 시각적으로 비교하였다.
• 3D 시뮬레이션에 축방향 집중을 통합하여 전면적 볼륨 영상 설정에서의 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SIMUS는 동질성 매질에서 압력장을 시뮬레이션할 때 Field II, k-Wave, Verasonics와 비교해 어떤 정도의 정확도를 보이는가?
• RQ2 다양한 전송 시퀀스에서 SIMUS의 음향장 예측이 기존의 시뮬레이터들과 얼마나 일치하는가?
• RQ3 다른 물리적 모델링 접근 방식을 사용하는 Verasonics와 비교해 SIMUS의 결과는 어떻게 시각적 및 수치적으로 일치하는가?
• RQ4 SIMUS는 2D 및 3D 구성 모두에서 Field II 및 k-Wave 수준의 신뢰성 있고 고해상도 초음파 시뮬레이션을 생성할 수 있는가?
• RQ5 원거리 근사 및 축근사 근사를 사용할 경우, SIMUS가 생성하는 RF 신호 및 압력장의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SIMUS는 모든 테스트된 전송 시퀀스 및 구성에서 Field II 및 k-Wave와 유사한 RMS 압력장을 생성하여 매우 높은 일관성을 보였다.
• Verasonics의 음향장은 시각적으로 유사한 전체적인 외관을 유지하고 있었지만, SIMUS 및 k-Wave와는 상당한 차이를 보였다.
• Verasonics의 출력에서 발생한 차이점은 독특한 물리적 모델링 접근 방식 때문으로 추정되며, 이는 분석적 시뮬레이터와의 직접 비교에 한계가 있음을 시사한다.
• SIMUS는 축방향 집중이 포함된 2D 및 3D 시뮬레이션 모두에서 뛰어난 성능을 보여, 볼륨 초음파 시뮬레이션 능력을 확인하였다.
• 결과적으로 SIMUS는 현실적인 초음파 시뮬레이션을 위한 신뢰할 수 있는 오픈소스 대안임을 입증하였다.
• 이 연구는 SIMUS가 허수 도메인 선형 방정식에 기반하여 동질성 매질에서 고정밀도로 초음파 전파를 효과적으로 모델링할 수 있음을 확인하였다.