[論文レビュー] A numerical model for the study of photoacoustic imaging of brain tumours

Kamyar Firouzi, Nader Saffari|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、MRIベースの脳ファントム、有限要素法による光輸送、および不均一で減衰する組織（頭蓋骨を含む）における音響波動のk-space法を統合した3次元数値モデルを、脳腫瘍の光声波イメージングに提案する。このモデルは、腫瘍構造の正確な再構成を実現し、臨床的イメージング研究への収束性と妥当性を示している。

ABSTRACT

Photoacoustic imaging has shown great promise for medical imaging, where optical energy absorption by blood haemoglobin is used as the contrast mechanism. A numerical method was developed for the in-silico assessment of the photoacoustic image reconstruction of the brain. Image segmentation techniques were used to prepare a digital phantom from MR images. Light transport through brain tissue was modelled using a Finite Element approach. The resulting acoustic pressure was then estimated by pulsed photoacoustics considerations. The forward acoustic wave propagation was modelled by the linearized coupled first order wave equations and solved by an acoustic k-space method. Since skull bone is an elastic solid and strongly attenuates ultrasound (due to both scattering and absorption), a k-space method was developed for elastic media. To model scattering effects, a new approach was applied based on propagation in random media. In addition, absorption effects were incorporated using a power law. Finally, the acoustic pressure was reconstructed using the k-space time reversal technique. The simulations were ran in 3D to produce the photoacoustic tomogram of a brain tumour. The results demonstrate the convergence of the models, and their suitability for investigating the photoacoustic imaging process.

研究の動機と目的

• 臨床的イメージング研究への応用を想定し、現実的な解剖学的環境下での脳腫瘍の光声波イメージングをシミュレートする包括的な数値フレームワークの構築を目的とする。
• 臨床現場における超音波の減衰および散乱の影響、特に頭蓋骨による影響を解消する。
• 光声波トモグラフィーを用いた脳腫瘍の画像再構成品質のシミュレーティブ評価を可能にする。
• ヘモグロビンの吸収特性や頭蓋骨に起因する信号損失を含む、脳組織の現実的な光学的および音響的特性を統合する。
• 将来的な臨床的光声波イメージングアプリケーションへの適性と収束性を検証する。

提案手法

• 画像セグメンテーション技術を用いてMRI画像から3次元デジタル脳ファントムを構築し、組織境界を定義した。
• 放射輸送方程式を解くために、有限要素法（FEM）を用いて脳組織内での光伝播をモデリングした。
• パルスレーザー励起による光声波生成をシミュレートし、腫瘍組織と健常組織におけるヘモグロビン濃度の差に起因する吸収を基にした。
• 時間領域での波動伝播を高精度に再現するため、k-space擬スペクトル法を用いて線形化された一次波動方程式を解いた。
• 頭蓋骨における弾性波伝播をモデル化するため、k-space法を拡張し、散乱および吸収効果を同時に考慮した。
• 周波数依存減衰を再現するため、べき乗則モデルを用いて超音波信号の劣化を模擬した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不均一な脳ファントム（頭蓋骨を含む）における光声波生成および伝播を、数値モデルがどの程度正確に再現できるか。
• RQ2 頭蓋骨に起因する超音波の減衰および散乱が、光声波画像再構成品質に及ぼす影響は何か。
• RQ3 k-space法を弾性媒質に適応させることで、頭蓋骨内での弾性波伝播を正確にシミュレートできるか。
• RQ4 腫瘍組織と健常脳組織の間の光学的吸収対比が、シミュレートされた光声波画像における腫瘍の検出可能性に与える影響は何か。
• RQ5 提案された数値フレームワークは、脳腫瘍イメージングの3次元シミュレーションにおいて収束性と安定性を示すか。

主な発見

• 数値モデルは、現実的な組織不均一性を有する3次元脳ファントムにおいて、光声波生成および伝播を成功裏にシミュレートした。
• 頭蓋骨の影響（特に減衰および散乱）を組み込むことで、光声波信号が顕著に劣化し、画像の分解能およびコントラストに悪影響を及ぼすことが明らかになった。
• 弾性媒質に適応させたk-space法により、頭蓋骨内での音響波動伝播を高精度にシミュレートできるようになった。
• 周波数依存減衰を表現するべき乗則モデルは、頭蓋骨内での超音波信号損失を効果的に再現し、シミュレーションの現実性を向上させた。
• 時間反転法を用いた再構成により、脳腫瘍の光声波画像が成功裏に再構成され、本手法の収束性と妥当性が裏付けられた。
• シミュレーション結果は、本モデルが制御されたシミュレーティブ環境下で脳腫瘍の光声波イメージングを研究するのに適していることを確認した。