Transcranial ultrasound therapy is increasingly used for the non-invasive treatment of brain disorders. However, conventional numerical wave solvers are currently too computationally expensive to be used online during treatments to predict the acoustic field passing through the skull (e.g., to account for subject-specific dose and targeting variations). As a step towards real-time predictions, in the current work, a fast iterative solver for the heterogeneous Helmholtz equation in 2D is developed using a fully-learned optimizer. The lightweight network architecture is based on a modified UNet that includes a learned hidden state. The network is trained using a physics-based loss function and a set of idealized sound speed distributions with fully unsupervised training (no knowledge of the true solution is required). The learned optimizer shows excellent performance on the test set, and is capable of generalization well outside the training examples, including to much larger computational domains, and more complex source and sound speed distributions, for example, those derived from x-ray computed tomography images of the skull.


翻译:常规数字波求解器目前计算成本太昂贵,无法在治疗期间在线使用,无法预测通过头骨的声场(例如,说明特定剂量和目标变异)。作为当前工作中实时预测的一个步骤,2D中混杂的赫尔默尔茨方程式的快速迭代求解器正在使用充分学习的优化器开发。轻量网络结构基于一个经过修改的UNet,其中包括一个有学识的隐藏状态。网络经过培训,使用基于物理的损失功能和一套未经充分监督的培训(不需要了解真正的解决方案)的理想化声速分布。学习的优化器显示测试集的出色性能,并且能够在培训实例之外进行普及,包括大得多的计算领域,以及更为复杂的源和声速分布,例如,从头骨的X射线图像中得出。

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