基于时域全波形反演的高分辨率三维超声乳腺成像
数值分析
2022-01-19 v4 计算工程、金融与科学
数值分析
最优化与控制
摘要
超声断层扫描（UST）设备可获取人体乳腺声学特性的定量图像，在筛查、诊断与治疗规划方面具有潜在应用。时域全波形反演（TD-FWI）是一种有前景的UST图像形成技术，它通过基于梯度的优化来拟合波动物理模型的参数场。对于高分辨率三维UST，其面临三个关键挑战：首先，其核心构建模块——单次超声测量的梯度计算——具有极大的内存占用。其次，该构建模块需对次测量逐一计算，导致通常在大型计算集群上耗时数天的海量并行计算。最后，底层优化问题的结构可能导致求解器进展缓慢并收敛至局部极小。本工作中，我们设计并评估了一种克服这些挑战的综合计算策略：首先，我们利用基于时间反演的梯度计算，以每次源额外一次波动模拟为代价大幅降低内存占用。其次，我们通过使用源编码（SE）计算随机梯度估计，打破对测量数量的依赖。我们还描述了一种更精确、特定于TD且具有更细方差控制的SE技术，并使用了最先进的随机LBFGS方法。最后，我们设计了高效的TD多重网格方案并结合预条件处理，以加速收敛并避免局部极小。所有组件均在模拟碗形三维UST乳腺扫描仪原型的广泛数值概念验证研究中得到评估。最终，我们证明它们的组合使我们能够在单块GPU上用Matlab在24小时内获得分辨率为0.5mm的442x442x222体素精确图像。
引用
@article{arxiv.2102.00755,
title = {High Resolution 3D Ultrasonic Breast Imaging by Time-Domain Full Waveform Inversion},
author = {Felix Lucka and Mailyn Pérez-Liva and Bradley E. Treeby and Ben T. Cox},
journal= {arXiv preprint arXiv:2102.00755},
year = {2022}
}