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DeepUCT: complex cascaded deep learning network for improved ultrasound tomography

计算机科学 深度学习 迭代重建 人工智能 卷积神经网络 迭代法 断层摄影术 反问题 算法 特征学习 计算机视觉 数学 光学 物理 数学分析
作者
Sumukha Prasad,Mohamed Almekkawy
标识
DOI:10.1088/1361-6560/ac5296
摘要

Ultrasound computed tomography is an inexpensive and radiation-free medical imaging technique used to quantify the tissue acoustic properties for advanced clinical diagnosis. Image reconstruction in ultrasound tomography is often modeled as an optimization scheme solved by iterative methods like full-waveform inversion. These iterative methods are computationally expensive, while the optimization problem is ill-posed and nonlinear. To address this problem, we propose to use deep learning to overcome the computational burden and ill-posedness, and achieve near real-time image reconstruction in ultrasound tomography. We aim to directly learn the mapping from the recorded time-series sensor data to a spatial image of acoustical properties. To accomplish this, we develop a deep learning model using two cascaded convolutional neural networks with an encoder-decoder architecture. We achieve a good representation by first extracting the intermediate mapping-knowledge and later utilizing this knowledge to reconstruct the image. This approach is evaluated on synthetic phantoms where simulated ultrasound data are acquired from a ring of transducers surrounding the region of interest. The measurement data is acquired by forward modeling the wave equation using the k-wave toolbox. Our simulation results demonstrate that our proposed deep-learning method is robust to noise and significantly outperforms the state-of-the-art traditional iterative method both quantitatively and qualitatively. Furthermore, our model takes substantially less computational time than the conventional full-wave inversion method.

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