Enhanced k-Wave Simulations for Focused Ultrasound Therapy: A Pruned FFT Approach

Prořezaná rychlá Fourierova transformace, Simulace ultrazvuku, Simulace šíření vln, k-Wave, Pseudo-spektrální metody

Simulace šíření vln hrají klíčovou roli při plánování neinvazivních medicínských zákroků, využívající ultrazvuk. Plánování takovýchto zákroků však často vyžaduje provedení několika simulací ve vysokém rozlišení, což vede k výrazné spotřebě výpočetních prostředků a může vést ke zdržení v případě kritických zákroků. Tato práce představuje metodu, jak urychlit simulace prováděné pomocí nástroje k-Wave, a to při zachování dostatečné přesnosti pro účely plánování medicínských zákroků. Nástroj k-Wave využívá k-space pseudospektrální metodu založenou na Fourierových bázích, což znamená, že značná část výpočetního času připadá právě na Fourierovy transformace. Nahrazením standardní rychlé Fourierovy transformace (FFT) "prořezanou" verzí tohoto algoritmu (pruned FFT) se podařilo dosáhnout zrychlení až 1,7× u velkých simulačních domén. Navržený přístup, založený na kombinaci Akustického propagátoru a přístupu inspirovaného bisekčním algoritmem eliminuje více než 60 % spektrálních koeficientů. I při tak výrazné redukci spektrálních koeficientů je chyba v ohnisku propagované vlny při konfiguraci s jedním vysílačem pod 1 %. Testy zahrnující konfigurace pro transkraniální ultrazvuk a ablaci nádorů potvrdily konzistentní přesnost s pouze drobnými posuny ohniska. Navržený přístup tak může výrazně urychlit postup plánování léčby. Ačkoli je metoda primárně určena pro nástroj k-Wave, její principy mohou být využity i dalšími nástroji pro simulaci šíření vln, zejména v prostředích s nízkou heterogenitou.