[論文レビュー] A gel wax phantom for performance evaluation in diagnostic ultrasound: assessment of image uniformity, geometric accuracy, and diameter of a hyperechoic target

Debjani Phani, R Varadarajulu+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2022

Ultrasound Imaging and Elastography被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、埋め込まれたステンレス鋼のディスクとナイロン線を用いて、画像の均一性、幾何的正確性、および標的径の評価を可能にする、低コストで安定したゲルワックスアンブレラを提示する。このアンブレラは62週間にわたり1.8%の体積損失にとどまり、超音波イメージングにおける最大距離誤差が7.1%と高く、診断用超音波の品質管理における有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

Purpose: To develop and validate a phantom for diagnostic ultrasound (US) scanners by embedding targets in gel wax to determine the image uniformity, lateral and axial resolution, and diameter of a stainless-steel disc. Materials and Methods: Acoustic property (AP), which includes the velocity of US (cus), acoustic impedance (Z), and attenuation coefficient in gel wax were determined. The cus, and attenuation coefficient were estimated using the pulse-echo technique. Z was obtained from the product of sample density ( {ho}) and cus. Two rectangular frames using polytetrafluoroethylene (PTFE) sheets with holes separated by 5, 10, and 20 mm distances were constructed. Nylon filaments and SS-disc (diameter = 16.8 mm) were threaded through the frames and suitably placed in melted gel wax to obtain orthogonal targets. The targets were measured using computerized tomography (CT) and a 2-9 MHz US probe. Results: The AP of gel wax were cus=1418 m/s, {ho}= 0.87 g/cm3, Z=1.23 MRayls, attenuation coefficient= 0.88 dB/cm/MHz. The results of US imaging of the targets were compared with their physical sizes and served as baselines for the scanner and probe. The maximum error in distance measurement in the phantom US images was 7.1%, and the phantom volume decreased by 1.8% over 62 weeks. Conclusion: Gel wax can be useful in developing affordable, highly stable, and customizable diagnostic US phantoms that can be implemented widely.

研究の動機と目的

• 診断用超音波の性能評価に適した低コストで安定的かつカスタマイズ可能なアンブレラの開発。
• 超音波イメージングにおける高エコー性標的の画像の均一性、幾何的正確性、および径の測定の評価。
• ゲルワックスの音響特性が診断用アンブレラの適切な媒体として適しているかの検証。
• CTと超音波イメージングからの物理的寸法測定を基に、スキャナーやプローブの性能の基準を提供。
• 低コストで入手可能な材料を用いることで、臨床および研究現場におけるアンブレラの広範な導入を支援。

提案手法

• パルスエコー法を用いてゲルワックスの音響特性を測定し、音速（cus）、音響インピーダンス（Z）、および減衰係数を決定。
• 5 mm、10 mm、20 mmの穴間隔をもつポリテトラフルオロエチレン（PTFE）製の2つの長方形フレームを製作し、標的の位置決めに使用。
• 溶けたゲルワックスにステンレス鋼のディスク（16.8 mm 直径）とナイロン線を埋め込み、直交する標的を形成。
• 2–9 MHzの超音波プローブとCTを用いて、アンブレラをスキャンし、物理的寸法の妥当性を検証。
• CTからの物理的寸法と比較して、画像の均一性、横方向および縦方向の分解能、および標的径を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲルワックスは、一貫した音響特性を有する安定的で低コストな診断用超音波アンブレラの媒体として適しているか。
• RQ2 超音波システムがゲルワックスアンブレラにおいて、物理的寸法と比較して距離および標的径をどれほど正確に測定できるか。
• RQ3 時間の経過に伴い、ゲルワックスアンブレラの寸法的・音響的整合性は、どの程度の長期的安定性を示すか。
• RQ4 アンブレラが、超音波イメージングにおける画像の均一性および幾何的正確性の信頼性ある評価をどの程度支援できるか。
• RQ5 異なる超音波システムにおいて、アンブレラが再現可能で信頼性を持って使用可能かどうか。

主な発見

• ゲルワックスの音響特性は、音速（cus）= 1418 m/s、密度（ρ）= 0.87 g/cm³、音響インピーダンス（Z）= 1.23 MRayls、減衰係数 = 0.88 dB/cm/MHz として測定された。
• 超音波画像と物理的寸法との間の距離測定における最大誤差は7.1%であり、良好な幾何的正確性を示している。
• 62週間にわたり体積がたった1.8%減少したため、長期的な安定性が非常に高いことが示された。
• アンブレラは画像の均一性および標的径の評価を一貫して可能にし、CTによる物理的寸法測定と同等の結果が得られた。
• ステンレス鋼のディスクとナイロン線の使用により、2次元超音波イメージングにおける高エコー性標目標の明確な可視化と正確な測定が可能となった。