Ultrasound tomography (UST) scanners allow quantitative images of the human breast's acoustic properties to be derived with potential applications in screening, diagnosis and therapy planning. Time domain full waveform inversion (TD-FWI) is a promising UST image formation technique that fits the parameter fields of a wave physics model by gradient-based optimization. For high resolution 3D UST, it holds three key challenges: Firstly, its central building block, the computation of the gradient for a single US measurement, has a restrictively large memory footprint. Secondly, this building block needs to be computed for each of the $10^3-10^4$ measurements, resulting in a massive parallel computation usually performed on large computational clusters for days. Lastly, the structure of the underlying optimization problem may result in slow progression of the solver and convergence to a local minimum. In this work, we design and evaluate a comprehensive computational strategy to overcome these challenges: Firstly, we introduce a novel gradient computation based on time reversal that dramatically reduces the memory footprint at the expense of one additional wave simulation per source. Secondly, we break the dependence on the number of measurements by using source encoding (SE) to compute stochastic gradient estimates. Also we describe a more accurate, TD-specific SE technique with a finer variance control and use a state-of-the-art stochastic LBFGS method. Lastly, we design an efficient TD multi-grid scheme together with preconditioning to speed up the convergence while avoiding local minima. All components are evaluated in extensive numerical proof-of-concept studies simulating a bowl-shaped 3D UST breast scanner prototype. Finally, we demonstrate that their combination allows us to obtain an accurate 442x442x222 voxel image with a resolution of 0.5mm using Matlab on a single GPU within 24h.


翻译:超声断层( UST) 扫描仪允许通过筛选、诊断和治疗规划中的潜在应用来生成人类乳房声学特性的定量图像。 时间域全波反转( TD- FWI) 是符合波物理模型参数域的有希望的 UST 图像形成技术, 通过基于梯度的优化来适应波物理模型的参数字段。 对于高分辨率 3D UST, 它有三大挑战 : 首先, 其中央建筑块, 计算用于单一美国测量的梯度, 具有有限的记忆缩放足足足。 其次, 需要为每次10+3- 10- 10 4美元测量计算出人类乳房的声调特性, 导致通常对大型计算组进行大规模平行计算( TD- MWI)。 最后, 基本优化问题的结构可能会导致溶解器的缓慢进和融合到本地最小值。 在这项工作中,我们引入基于时间回流的缩缩缩缩缩缩缩略图, 并且我们用SEO- II 的直径直径直径直径直径分析方法, 。

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