UltraScatter: Ray-Based Simulation of Ultrasound Scattering
作者: Felix Duelmer, Mohammad Farid Azampour, Nassir Navab
分类: physics.med-ph, cs.CV
发布日期: 2025-10-12
备注: Accepted at IEEE IUS 2025
💡 一句话要点
UltraScatter：提出基于射线追踪的超声散射快速模拟方法
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 超声模拟 射线追踪 散射 B模式成像 自由飞行delta跟踪
📋 核心要点
- 现有超声模拟方法计算成本高昂，快速替代方案也存在速度瓶颈，难以满足实时性需求。
- UltraScatter采用概率射线追踪框架，将组织建模为散射概率和散射幅度的体积场，实现高效模拟。
- 实验结果表明，UltraScatter能够快速生成逼真的B模式图像，为波动方法提供了一种可扩展的替代方案。
📝 摘要（中文）
传统的超声模拟方法通过数值求解波动方程实现高精度，但计算成本很高。基于预计算脉冲响应卷积的快速替代方案仍然相对较慢，通常需要几分钟才能生成完整的B模式图像。我们介绍UltraScatter，这是一个概率射线追踪框架，可以高效且真实地模拟超声散射。组织被表示为散射概率和散射幅度的体积场，射线相互作用通过自由飞行delta跟踪进行模拟。散射射线被追踪到换能器，相位信息通过线性飞行时间模型合并。与平面波成像和波束形成相结合，我们的并行射线追踪架构在几秒钟内生成B模式图像。与体模数据的验证显示了真实的散斑和包含模式，将UltraScatter定位为基于波动方法的具有可扩展性的替代方案。
🔬 方法详解
问题定义：现有的超声模拟方法，特别是基于波动方程数值解的方法，计算复杂度高，耗时较长，难以满足实时或近实时的应用需求。即使是基于预计算脉冲响应卷积的加速方法，也仍然需要数分钟才能生成一幅B模式图像。因此，需要一种更快速、更高效的超声散射模拟方法。
核心思路：UltraScatter的核心思路是将超声散射过程建模为概率射线追踪问题。通过将组织表示为散射概率和散射幅度的体积场，并利用射线追踪技术模拟超声波在组织中的传播和散射，从而避免了直接求解复杂的波动方程。这种方法能够显著降低计算复杂度，提高模拟速度。
技术框架：UltraScatter的整体框架包括以下几个主要步骤：1) 定义组织的散射概率和散射幅度体积场；2) 从超声换能器发射射线；3) 使用自由飞行delta跟踪方法模拟射线在组织中的传播和散射；4) 将散射射线追踪回换能器，并计算其飞行时间和相位信息；5) 利用平面波成像和波束形成技术，生成B模式图像。整个过程采用并行化架构，进一步提高计算效率。
关键创新：UltraScatter的关键创新在于将超声散射建模为概率射线追踪问题，并采用自由飞行delta跟踪方法模拟射线与组织的相互作用。与传统的波动方程求解方法相比，这种方法能够显著降低计算复杂度，实现快速模拟。此外，该方法还考虑了散射射线的相位信息，从而能够生成更逼真的B模式图像。
关键设计：在UltraScatter中，散射概率和散射幅度体积场是关键的参数。这些参数可以根据不同的组织类型进行调整，以模拟不同的散射特性。自由飞行delta跟踪方法的步长需要根据散射概率进行调整，以保证模拟的准确性。此外，波束形成算法的选择也会影响最终图像的质量。论文中使用了线性飞行时间模型来计算相位信息，这是一种简单而有效的近似方法。
📊 实验亮点
UltraScatter在体模数据上进行了验证，结果表明其能够生成逼真的散斑和包含模式，与实际超声图像高度相似。该方法能够在几秒钟内生成B模式图像，速度远快于传统的波动方程求解方法。这使得UltraScatter成为一种具有可扩展性的超声模拟替代方案。
🎯 应用场景
UltraScatter可应用于超声成像算法的开发与验证、超声诊断设备的性能评估、以及医学培训等领域。该方法能够快速生成逼真的超声图像，为研究人员提供了一个灵活的实验平台，加速相关技术的研发进程。此外，该方法还可用于生成合成超声数据，用于训练深度学习模型，提高模型的泛化能力。
📄 摘要（原文）
Traditional ultrasound simulation methods solve wave equations numerically, achieving high accuracy but at substantial computational cost. Faster alternatives based on convolution with precomputed impulse responses remain relatively slow, often requiring several minutes to generate a full B-mode image. We introduce UltraScatter, a probabilistic ray tracing framework that models ultrasound scattering efficiently and realistically. Tissue is represented as a volumetric field of scattering probability and scattering amplitude, and ray interactions are simulated via free-flight delta tracking. Scattered rays are traced to the transducer, with phase information incorporated through a linear time-of-flight model. Integrated with plane-wave imaging and beamforming, our parallelized ray tracing architecture produces B-mode images within seconds. Validation with phantom data shows realistic speckle and inclusion patterns, positioning UltraScatter as a scalable alternative to wave-based methods.