[论文解读] 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 4

一句话总结

SIMUS 是一款基于 Matlab 的开源超声波模拟器，专为快速、教学和研究导向的超声成像模拟而设计，采用远场和傍轴近似。它能够高效计算线性探头和凸阵探头的声压场与 RF 信号，提供一个用户友好的频域工具，具备全面的理论基础，并以 LGPL 许可证发布开源代码。

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.

研究动机与目标

• 开发一款快速、易于使用且面向教学的超声波模拟器，用于科研与教育。
• 提供一个基于线性声学理论的全面开源工具，用于模拟超声成像序列。
• 通过精确模拟，实现新型发射策略、波束成形技术与探头设计的快速原型开发。
• 为研究人员和学生提供即插即用的解决方案，配备详尽的理论背景和易于访问的代码。
• 通过标准化基准测试，促进与 Field II、k-Wave 和 Verasonics 等成熟模拟器的对比。

提出的方法

• 该模拟器使用远场和傍轴近似，模拟超声波从换能器元件的传播过程。
• 基于瑞利积分和惠更斯原理的解析解，在频域中计算声压场。
• 通过将声压场反向投影，合成射频（RF）信号，以模拟换能器接收到的信号。
• 该框架支持均匀线性阵列和凸阵列探头，可自定义元件几何形状与激励参数。
• 实现针对速度进行了优化，并通过向量化运算与 Matlab 环境无缝集成。
• 代码以 GNU 较宽松通用公共许可证（LGPL）发布，支持自由重用、修改与分发，确保完全透明。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用傍轴近似时，SIMUS 对不同探头配置的声压场与 RF 信号的模拟精度如何？
• RQ2 与 Field II、k-Wave 和 Verasonics 等成熟超声波模拟器相比，SIMUS 在模拟速度方面有何性能提升？
• RQ3 SIMUS 在多大程度上支持对超声波束成形与发射策略的教学理解？
• RQ4 SIMUS 的开源特性在超声波研究中的可重现性与可扩展性方面有何增强作用？
• RQ5 SIMUS 是否能在保持计算效率与理论保真度的前提下，有效模拟复杂成像序列？

主要发现

• SIMUS 利用基于远场和傍轴近似的解析模型，实现了超声波压场与 RF 信号的快速且精确模拟。
• 该模拟器在速度与易用性方面进行了优化，适用于实时原型开发与教学应用。
• 以 LGPL 许可证开源发布，确保了研究社区内完全的透明度、可重现性与可扩展性。
• SIMUS 提供了全面的理论基础，支持教学应用与对超声成像物理原理的深入理解。
• 该软件设计为即插即用的解决方案，集成有文档与示例脚本，可立即用于科研与教学。
• 论文的第二部分表明，SIMUS 在关键模拟任务中与 Field II、k-Wave 和 Verasonics 等成熟模拟器表现相当。