用于经颅聚焦超声的声全息图的梯度下降优化
应用物理
2024-11-22 v2 生物物理
经典物理
摘要
声全息透镜，也称为声全息图，可以改变透射波前的相位，以塑造和构建复杂的超声压力场，通常用于将声能聚焦到目标区域。这些透镜已被提议用于经颅聚焦超声（tFUS），以创建衍射受限的焦区，在补偿颅骨像差的同时靶向特定脑区。目前，用于tFUS的全息图是使用全波时域数值模拟中的时间反演方法设计的。然而，此类模拟需要耗时的计算，这严重限制了迭代优化策略的采用。此外，在时间反演方法中，虚拟源的数量和分布会显著影响最终的声场。由于计算限制，预测这些影响并确定最佳布置具有挑战性。本研究引入了一种高效的方法，使用体积全息技术设计声全息图，以在颅骨内生成聚焦场。所提出的方法将一种用于超声传播的改进混合域方法与梯度下降迭代优化算法相结合。这种方法使得全息计算比先前报道的技术显著加快。迭代过程使用明确定义的损失函数，将超声场的优化参数偏向于特定的期望特性，如轴向分辨率、横向分辨率、覆盖范围和焦区均匀性，同时消除了时间反演技术中与虚拟源相关的不确定性。对四个脑结构进行了数值研究：前岛叶、海马体、尾状核和杏仁核。研究结果在使用3D打印颅骨模型的水下实验中得到了进一步验证。
引用
@article{arxiv.2401.14756,
title = {Gradient descent optimization of acoustic holograms for transcranial focused ultrasound},
author = {Ahmed Sallam and Ceren Cengiz and Mihir Pewekar and Eric Hoffmann and Wynn Legon and Eli Vlaisavljevich and Shima Shahab},
journal= {arXiv preprint arXiv:2401.14756},
year = {2024}
}