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SWENet: A Physics-Informed Deep Neural Network (PINN) for Shear Wave Elastography

弹性成像 成像体模 磁共振弹性成像 剪切(地质) 横波 有限元法 物理 声学 人工神经网络 计算机科学 材料科学 光学 超声波 人工智能 复合材料 热力学
作者
Ziying Yin,Guo‐Yang Li,Zhaoyi Zhang,Yang Zheng,Yanping Cao
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (4): 1434-1448 被引量:38
标识
DOI:10.1109/tmi.2023.3338178
摘要

Shear wave elastography (SWE) enables the measurement of elastic properties of soft materials in a non-invasive manner and finds broad applications in various disciplines. The state-of-the-art SWE methods rely on the measurement of local shear wave speeds to infer material parameters and suffer from wave diffraction when applied to soft materials with strong heterogeneity. In the present study, we overcome this challenge by proposing a physics-informed neural network (PINN)-based SWE (SWENet) method. The spatial variation of elastic properties of inhomogeneous materials has been introduced in the governing equations, which are encoded in SWENet as loss functions. Snapshots of wave motions have been used to train neural networks, and during this course, the elastic properties within a region of interest illuminated by shear waves are inferred simultaneously. We performed finite element simulations, tissue-mimicking phantom experiments, and ex vivo experiments to validate the method. Our results show that the shear moduli of soft composites consisting of matrix and inclusions of several millimeters in cross-section dimensions with either regular or irregular geometries can be identified with excellent accuracy. The advantages of the SWENet over conventional SWE methods consist of using more features of the wave motions and enabling seamless integration of multi-source data in the inverse analysis. Given the advantages of SWENet, it may find broad applications where full wave fields get involved to infer heterogeneous mechanical properties, such as identifying small solid tumors with ultrasound SWE, and differentiating gray and white matters of the brain with magnetic resonance elastography.
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