[論文レビュー] An open-source software platform for translational photoacoustic research and its application to motion-corrected blood oxygenation estimation

Thomas Kirchner, Janek Gröhl+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2019

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、MITKソフトウェアフレームワークに基づいて構築されたオープンソースでリアルタイム対応のマルチスペクトル光音響超音波（PAUS）画像化プラットフォームを提示する。このプラットフォームは、臨床用線形超音波プローブとチューナブルレーザーを直接制御可能であり、翻訳的研究に適している。プラットフォームは、超音波Bモード画像を用いた光学フローに基づくモーション補正を統合し、脈動する血管における血液酸素飽和度（sO₂）推定を向上させ、測定のばらつきを低減し、頸動脈画像における動静脈の明確な区別を可能にした。補正後、sO₂推定値の四分位範囲（IQR）はそれぞれ25%および19%に縮小された。

ABSTRACT

Photoacoustic (PA) imaging systems based on clinical linear ultrasound arrays have become increasingly popular in translational PA research. Such systems can be more easily integrated in a clinical workflow due to the simultaneous access to ultrasonic imaging and their familiarity of use to clinicians. In contrast to more complex setups, hand held linear probes can be applied to a large variety of clinical use cases. However, most translational work with such scanners is based on proprietary development and as such not accessible to the community. In this contribution, we present a custom-built, hybrid, multispectral, real-time photoacoustic and ultrasonic imaging system with a linear array probe that is controlled by software developed within the Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK) a highly customizable and extendable open-source software platform. Our software offers direct control of both the laser and the ultrasonic system and may serve as a starting point for various translational research projects and developments. To demonstrate the applicability of the platform, we used it to implement a new method for blood oxygenation estimation in the presence of non-rigid inter-frame motion caused by pulsing arteries. Initial results from experiments with healthy human volunteers demonstrate the suitability of the method with the sample clinical application of imaging the common carotid artery as well as peripheral extremity vessels.

研究の動機と目的

• 臨床用線形超音波プローブを用いた翻訳的写真音響研究のためのアクセス可能でオープンソースのソフトウェアの不足に対処すること。
• 臨床ワークフローにスムーズに統合可能なリアルタイムでハイブリッド写真音響超音波画像化システムの開発。
• 脈動する動脈に起因する非剛性のフレーム間モーショングラフトアーチファクトを、マルチスペクトルPA画像法における血液酸素飽和度推定の文脈で軽減すること。
• 健康な被験者における頸動脈および末梢血管でのモーション補正済みsO₂推定の実現可能性と正確性を示すこと。

提案手法

• システムは、高速チューニング可能な光パラメトリックオシレーター（OPO）レーザーと128要素の線形超音波トランスデューサーを用い、MITKオープンソースプラットフォーム内でのカスタムソフトウェアにより制御される。
• リアルタイムのデータ取得と処理は、MITKのモジュラー・アーキテクチャを介して管理され、ベンダー提供のAPIとカスタム通信レイヤーを通じて直接ハードウェア制御が可能である。
• 非剛性の動き補正は、対応する超音波Bモード画像を用いた光学フローにより、連続する写真音響フレームをコアジオリゲートすることで達成される。これは、脈動血流に起因する非剛性の動きを補正する。
• スペクトルアンミキシングはマルチスペクトルPAデータに適用され、局所的な血液酸素飽和度（sO₂）推定が行われる。モーション補正により推定の一貫性が向上する。
• この手法はPythonで実装され、1つのコンsumer CPUコアで5フレームのシーケンスを120 msで処理し、リアルタイム動作を実現している。
• このシステムは拡張可能である。MITK内のハードウェア抽象化レイヤーを拡張するだけで、新しいレーザーやDAQシステムを統合可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MITKに基づくオープンソースのソフトウェアプラットフォームは、臨床用線形プローブを用いたリアルタイムでハイブリッド写真音響超音波画像化を可能にするか？
• RQ2 超音波Bモード画像を用いた光学フローに基づくモーション補正は、脈動する血管のマルチスペクトルPA画像法においてアーチファクトをどれほど効果的に低減できるか？
• RQ3 モーション補正は、頸動脈および末梢血管における血液酸素飽和度（sO₂）推定の精度と正確性をどの程度向上させるか？
• RQ4 標準的なコンsumerハードウェア上でモーション補正パイプラインのリアルタイム性能はどの程度か？
• RQ5 モーション補正済みのsO₂推定値は、健康な被験者の生理的期待値と比較してどうなるか？

主な発見

• モーション補正により、動脈血のsO₂推定値の四分位範囲（IQR）が50%から25%に低下し、測定の正確性が顕著に向上した。
• 静脈血では、モーション補正後、sO₂推定値のIQRが29%から19%に低下し、ばらつきが減少した。
• 頸動脈における平均sO₂は、補正前は59%であったが、補正後は63%に上昇し、標準偏差は31%から17%に低下した。
• 内部静脈では、補正後もsO₂推定値は約38%で安定しており、標準偏差は15%であった。
• モーション補正手法は、1つのCPUコアで5フレームのシーケンスを120 msで処理し、光学フロー計算の複雑さを考慮してもリアルタイム動作を実現した。
• このプラットフォームは、動脈と静脈の血液酸素飽和度レベルを正確に区別可能であり、補正済みの推定値が生理的期待値とより一致している。