علوم رایانشی

علوم رایانشی

تمرکز امواج فراصوت فراجمجمه‌ای با آرایه منحنی نمایی به روش یادگیری انتقالی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
10.22034/csj.2026.573773.1154
چکیده
تمرکز امواج فراصوت در بافت مغز، رویکردی نوین برای درمان غیرتهاجمی بیماری‌های عصبی است؛ با این حال ناهمگنی جمجمه با ایجاد اعوجاج فاز، خطای مکانی و پراکندگی انرژی، دقت تمرکز را به‌طور جدی محدود می‌کند. از سوی دیگر، شبیه‌سازی‌های فیزیکی دقیق به‌دلیل هزینه محاسباتی بالا، مانعی برای استفاده بیدرنگ محسوب می‌شوند. روش‌های اصلاح فاز مبتنی بر آرایه‌های خطی و شبکه‌های عصبی، نظیر TUSNet، برای غلبه بر این چالش پیشنهاد شده‌اند، اما دستیابی به تمرکز دقیق و پایدار با این آرایه‌ها همچنان محدود است. هدف این پژوهش، بهبود هم‌زمان دقت تمرکز و کاهش پراکندگی انرژی در فراصوت فراجمجمه‌ای از طریق یک رویکرد دوگانه شامل اصلاح هندسه آرایه و یادگیری عمیق است. بدین‌منظور، یک آرایه منحنی با چیدمان نمایی حسگرها طراحی و عملکرد آن در شبیه‌سازی‌های گسترده مبتنی بر k-Wave ارزیابی شد. نتایج نشان می‌دهد این هندسه در مقایسه با آرایه خطی مرسوم، خطای جابه‌جایی کانون را ۴۳ درصد کاهش داده و پارامتر پهنای لوب اصلی در سطح نصف پیشینه (FWHM) را در راستاهای Y و X به‌ترتیب 24 درصد و 18 درصد بهبود می‌بخشد. همچنین، واریانس FWHM در نمونه‌های مختلف جمجمه به بیش از نصف کاهش یافته که بیانگر افزایش وضوح فضایی و پایداری تمرکز است. در ادامه، یک مجموعه‌داده اختصاصی مبتنی بر آرایه پیشنهادی تولید و برای آموزش شبکه TUSNet با بهره‌گیری از یادگیری انتقالی استفاده شد. نتایج نشان می‌دهد ترکیب هندسه آرایه منحنی با چیدمان نمایی و بازسازی میدان فشار مبتنی بر یادگیری عمیق انتقالی، تمرکز دقیق‌تری نسبت به رویکردهای مبتنی بر آرایه خطی ایجاد می‌کند و راهکاری کارآمد برای تمرکز امواج فراجمجمه‌ای در محیط‌های ناهمگن ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]           Zhang, T., Pan, N., Wang, Y., Liu, C., & Hu, S. 2021. Transcranial focused ultrasound neuromodulation: a review of the excitatory and inhibitory effects on brain activity in human and animals, Front. Hum. Neurosci., Vol. 15, p. 749162.
[2]           Zhu, H., Allwin, C., Bassous, M. G., & Pouliopoulos, A. N. 2024. Focused ultrasound-mediated enhancement of blood–brain barrier permeability for brain tumor treatment: a systematic review of clinical trials, J. Neuro-Oncol., Vol. 170, No. 2, pp. 235–252.
[3]           Blackmore, J., Shrivastava, S., Sallet, J., Butler, C. R., & Cleveland, R. O. 2019. Ultrasound neuromodulation: a review of results, mechanisms and safety, Ultrasound Med. Biol., Vol. 45, No. 7, pp. 1509–1536.
[4]           Darmani, G. et al., 2022. Non-invasive transcranial ultrasound stimulation for neuromodulation, Clin. Neurophysiol., Vol. 135, pp. 51–73.
[5]           Bunevicius, A., McDannold, N. J., & Golby, A. J. 2020. Focused ultrasound strategies for brain tumor therapy, Oper. Neurosurg., Vol. 19, No. 1, pp. 9–18.
[6]           Lee, K. S., et al. 2022. Focused ultrasound stimulation as a neuromodulatory tool for Parkinson’s disease: a scoping review, Brain Sci., Vol. 12, No. 2, p. 289.
[7]           Lescrauwaet, E., et al. 2022. Recent advances in the use of focused ultrasound as a treatment for epilepsy, Front. Neurosci., Vol. 16, p. 886584.
[8]           Seo, H., et al. 2025. Numerical investigation of layered homogeneous skull model for simulations of transcranial focused ultrasound, Neuromodulation, Vol. 28, No. 1, pp. 103–114.
[9]           Li, H., Barnard, I., Halliwell, T., Zhang, X., Melzer, A., & Huang, Z. 2024. Effects of skull properties on long-pulsed transcranial focused ultrasound transmission, arXiv preprint arXiv:2405.08489.
[10]       Pinton, G., et al. 2012. Attenuation, scattering, and absorption of ultrasound in the skull bone, Med. Phys., Vol. 39, No. 1, pp. 299–307.
[11]       Mattay, R. R., et al. 2024. MR thermometry during transcranial MR imaging–guided focused ultrasound procedures: a review, AJNR Am. J. Neuroradiol., Vol. 45, No. 1, pp. 1–8.
[12]       Odéen, H., Payne, A. H., & Parker, D. L. 2025. Magnetic Resonance Acoustic Radiation Force Imaging (MR‐ARFI), J. Magn. Reson. Imaging.
[13]       Kaye, E. A., Chen, J., & Pauly, K. B. 2011. Rapid MR-ARFI method for focal spot localization during focused ultrasound therapy, Magn. Reson. Med., Vol. 65, No. 3, pp. 738–74
[14]       Winter, L., et al. 2016. Magnetic resonance thermometry: Methodology, pitfalls and practical solutions, Int. J. Hyperthermia, Vol. 32, No. 1, pp. 63–75.
[15]       Kaye, E. A., & Pauly, K. B. 2013. Adapting MRI acoustic radiation force imaging for in vivo human brain focused ultrasound applications, Magn. Reson. Med., Vol. 69, No. 3, pp. 724–733.
[16]       Korb, A. S., Shellock, F. G., Cohen, M. S., & Bystritsky, A. 2014. Low-intensity focused ultrasound pulsation device used during magnetic resonance imaging: Evaluation of magnetic resonance imaging-related heating at 3 Tesla/128MHz, Neuromodulation, Vol. 17, No. 3, pp. 236–241.
[17]       Lee, W., et al. 2015. Image-guided transcranial focused ultrasound stimulates human primary somatosensory cortex, Sci. Rep., Vol. 5, No. 1, p. 8743.
[18]       Chen, K. T., et al. 2021. Neuronavigation-guided focused ultrasound for transcranial blood-brain barrier opening and immunostimulation in brain tumors, Sci. Adv., Vol. 7, No. 6, p. eabd0772.
[19]       Brinker, S. T., Balchandani, P., Seifert, A. C., Kim, H. J., & Yoon, K. 2022. Feasibility of upper cranial nerve sonication in human application via neuronavigated single-element pulsed focused ultrasound, Ultrasound Med. Biol., Vol. 48, No. 6, pp. 1045–1057.
[20]       Leung, S. A., Webb, T. D., Bitton, R. R., Ghanouni, P., & Pauly, K. B. 2019. A rapid beam simulation framework for transcranial focused ultrasound, Sci. Rep., Vol. 9, No. 1, p. 7965.
[21]       Yoon, K., Lee, W., Croce, P., Cammalleri, A., & Yoo, S. 2018. Multi-resolution simulation of focused ultrasound propagation through ovine skull from a single-element transducer, Phys. Med. Biol., Vol. 63, No. 10, p. 105001.
[22]       Kyriakou, A., et al. 2015. Full-wave acoustic and thermal modeling of transcranial focused ultrasound, J. Ther. Ultrasound.
[23]       Huang, Y., et al. 2022. Finite-difference time-domain simulation of transcranial ultrasound propagation and beam focusing, Ultrasonics.
[24]       Leung, S. A., et al. 2021. Transcranial focused ultrasound phase correction using the hybrid angular spectrum method, Sci. Rep., Vol. 11, No. 1, p. 6532.
[25]       Nazir, A., et al. 2021. ECSU-net: an embedded clustering sliced U-net coupled with fusing strategy for efficient intervertebral disc segmentation and classification, IEEE Trans. Image Process., Vol. 31, pp. 880–893.
[26]       Dodia, S., Annappa, B., and Mahesh, P. A. 2022. "Recent advancements in deep learning based lung cancer detection: a systematic review", Eng. Appl. Artif. Intell., Vol. 116, p. 105490.
[27]       Saha, S., et al. 2021. "Hierarchical deep learning neural network (HiDeNN): an artificial intelligence (AI) framework for computation".
[28]       Moradi, M., et al. 2023. "Intelligent health indicator construction for prognostics of composite structures utilizing a semi-supervised deep neural network and SHM data", Eng. Appl. Artif. Intell., Vol. 117, p. 105502.
[29]       Stanziola, A., Arridge, S. R., Cox, B. T., and Treeby, B. E. 2021. "A Helmholtz equation solver using unsupervised learning: Application to transcranial ultrasound", J. Comput. Phys., Vol. 441, p. 110430.
[30]       Koh, H., Park, T. Y., Chung, Y. A., Lee, J.-H., and Kim, H. 2022. "Acoustic Simulation for Transcranial Focused Ultrasound Using GAN-Based Synthetic CT", IEEE J. Biomed. Health Inform., Vol. 26, No. 1, pp. 161–171.
[31]       Miscouridou, M., Pineda-Pardo, J. A., Stagg, C. J., Treeby, B. E., and Stanziola, A. 2022. "Classical and Learned MR to Pseudo-CT Mappings for Accurate Transcranial Ultrasound Simulation", IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, Vol. 69, No. 10, pp. 2896–2905.
[32]       Shin, M., Seo, M., Yoo, S.-S., and Yoon, K. 2024. "tFUSFormer: Physics-Guided Super-Resolution Transformer for Simulation of Transcranial Focused Ultrasound Propagation in Brain Stimulation", IEEE J. Biomed. Health Inform., Vol. 28, No. 7, pp. 4024–4035.
[33]       Naftchi-Ardebili, K., et al. 2025. "Transcranial ultrasound stimulation: optimizing simulation paradigms and modulation of the neurons", [Online]. Available: https://purl.stanford.edu/ny085pv61613.
[34]       Zhang, Q., Sun, W., Deng, J., Qi, T., Wan, M., and Lu, M. 2025. "Transcranial adaptive aberration correction using deep learning for phased-array ultrasound therapy", Ultrasonics, Vol. 152, p. 107641.
[35]       Ilham, S. J., Kashani, Z., and Kiani, M. 2021. "Design and optimization of ultrasound phased arrays for large-scale ultrasound neuromodulation", IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., Vol. 15, No. 6, pp. 1454–1466.
[36]       Chaplin, V., Phipps, M. A., and Caskey, C. F. 2018. "A random phased-array for MR-guided transcranial ultrasound neuromodulation in non-human primates", Phys. Med. Biol., Vol. 63, No. 10, p. 105016.
[37]       Liu, H. L., Tsai, C. H., Jan, C. K., Chang, H. Y., Huang, S. M., Li, M. L., Qiu, W., and Zheng, H. 2018. "Design and implementation of a transmit/receive ultrasound phased array for brain applications", IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, Vol. 65, No. 10, pp. 1756–1767.
[38]       Treeby, B. E., and Cox, B. T. 2010. "k-Wave: MATLAB toolbox for the simulation and reconstruction of photoacoustic wave fields", J. Biomed. Opt., Vol. 15, No. 2, p. 021314.
[39]       Naftchi-Ardebili, K., et al. 2024. "Synthetic Skull CT Generation with Generative Adversarial Networks to Train Deep Learning Models for Clinical Transcranial Ultrasound", arXiv preprint arXiv:2308.00206.
[40]       Fink, M. 1997. "Time Reversed Acoustics", Phys. Today, Vol. 50, No. 3, pp. 34–40.
[41]       Pauly, K. B. 2025. "kbp-lab/TUSNet", [Online]. Available: https://github.com/kbp-lab/TUSNet