[论文解读] 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 5

一句话总结

本文将基于 MATLAB 的开源超声波模拟器 SIMUS 与三种成熟模拟器——Field II、k-Wave 和 Verasonics——在均匀介质中进行对比评估。SIMUS 采用远场和近轴近似下的谐波域线性方程来生成压力场和射频（RF）信号，其精度与 Field II 和 k-Wave 相当，而 Verasonics 尽管视觉外观相似，但结果存在显著差异，证实 SIMUS 是一种可靠的、用于真实超声波模拟的替代工具。

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.

研究动机与目标

• 评估新型开源超声波模拟器 SIMUS 相较于三种广泛应用的模拟器的准确性和可靠性。
• 解决医学超声波研究中对透明、可访问且具有数学基础的模拟工具的需求。
• 在均匀介质中，验证 SIMUS 在各种发射序列和聚焦配置下的性能表现。
• 评估不同模拟平台在 2D 和 3D 情况下（包括横向聚焦）声场预测的一致性。
• 确立 SIMUS 作为超声波研究中专有或复杂模拟工具的可行开源替代方案。

提出的方法

• SIMUS 使用基于远场和近轴近似的谐波域线性方程生成压力场和射频（RF）信号。
• 该模拟器支持多种发射序列，包括聚焦、平面和发散波前，适用于 2D 和 3D 模拟。
• 声场计算在频域中进行，基于瑞利积分和近轴近似解析求解。
• 模拟在均匀介质中进行，以隔离不同模拟器建模方法的差异。
• 计算并定量与定性比较了 SIMUS、Field II、k-Wave 和 Verasonics 的均方根（RMS）压力场。
• 在 3D 模拟中引入了横向聚焦，以评估其在全体积成像配置下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在均匀介质中模拟压力场时，SIMUS 与 Field II、k-Wave 和 Verasonics 的精度相比如何？
• RQ2 SIMUS 的声场预测在不同发射序列下与成熟模拟器的一致性程度如何？
• RQ3 与采用不同物理建模方法的 Verasonics 模拟器相比，SIMUS 的结果在视觉和定量上表现如何？
• RQ4 SIMUS 是否能够在 2D 和 3D 配置下生成与 Field II 和 k-Wave 相当的可靠、高保真度超声波模拟？
• RQ5 使用远场和近轴近似对 SIMUS 生成的 RF 信号和压力场的保真度有何影响？

主要发现

• 在所有测试的发射序列和配置中，SIMUS 生成的均方根（RMS）压力场与 Field II 和 k-Wave 的结果高度一致。
• Verasonics 的声场与 SIMUS 和 k-Wave 存在显著偏差，尽管整体视觉外观相似。
• Verasonics 输出的差异归因于其独特的物理建模方法，表明其与解析模拟器之间直接比较可能存在局限性。
• SIMUS 在 2D 和 3D 模拟中均表现出稳健性能，包括在横向聚焦配置下，证实其具备全体积超声波模拟能力。
• 结果支持 SIMUS 是一种可靠、开源的替代方案，可与 Field II 和 k-Wave 用于真实超声波模拟的结论。
• 本研究证实，基于谐波域线性方程的 SIMUS 能够在均匀介质中以高保真度有效模拟超声波传播。