[論文レビュー] Correlation-stability approach to elasticity mapping in OCT: comparison with displacement-based mapping and extit{in vivo} demonstrations

Vladimir Y. Zaitsev, Lev A. Matveev+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 13被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、ひずみ下での組織領域間の相互相関安定性の違いを用いて相対的剛性をマッピングする相関安定性（CS）手法を、光学コherenceトモグラフィー（OCT）エラストグラフィーに提案する。従来の変位ベース（DB）手法と比較して、ノイズ耐性が向上し、より広いひずみ範囲で動作可能である。CS手法により、臨床的自由な操作条件でも信頼性の高い生体内エラストグラフィーが可能となり、毛包を含む皮膚組織における剛性インクルージョンの可視化が確認された。

ABSTRACT

A variant of compression optical coherence elastography for mapping relative tissue stiffness is reported. Unlike conventionally discussed displacement-based (DB) elastorgaphy, in which the decrease in the cross-correlation is a negative factor causing errors in mapping displacement and strain fields, we propose to intentionally use the difference in the correlation stability (CS) for deformed tissue regions with different stiffness. We compare the parameter ranges (in terms of noise-to-signal ratio and strain) in which the conventional DB- and CS-approaches are operable. It is shown that the CS approach has such advantages as significantly wider operability region in terms of strain and is more tolerant to noises. This is favorable for freehand implementation of this approach. Examples of simulated and real CS-based elastographic OCT images are given.

研究の動機と目的

• OCTにおける変位ベース（DB）エラストグラフィーの限界、特にノイズに敏感であることと、高ひずみで相関が崩れることを解決すること。
• 実用的な自由な操作条件下でも有効に機能する、より耐障害性の高い弾性マッピング手法の開発。
• 実時間かつ高速OCTシステムを用いた、生体内人間皮膚を用いた相関安定性（CS）マッピングの実現可能性の検証。
• ひずみとノイズ対信号比の観点から、CS法とDB法の操作可能領域を比較すること。
• シミュレーションデータと生体内例を用いて、毛包などの明確な剛性構造の検出が可能かどうかを検証すること。

提案手法

• CS手法は、参照画像と変形後のOCT画像間の相互相関を、$m_1 \times m_2$ のスライディングウィンドウを用いて計算し、各空間位置での最大相関値 $C^*$ を算出する。
• 相関係数 $C(n,k)$ は、ウィンドウ内での平均値を差し引いた正規化相互相関を用いて計算され、ピxls強度の差と標準偏差を含む標準的な式に従う。
• より剛性の高い組織領域では、ひずみ下でも散乱子パターンの歪みが小さく、相関安定性（すなわち $C^*$）が高くなるため、これを弾性信号として利用する。
• 操作可能閾値は、3シグマ基準により定義される：DB法では $A_b \geq 3\sigma_u$、CS法では $\langle C^{\text{stiff}} - C^{\text{soft}} \rangle \geq 3\sigma^{\text{bg}}_{\text{corr}}$ を満たす必要がある。ここで $\sigma_u$ と $\sigma^{\text{bg}}_{\text{corr}}$ は、変位場と相関場におけるノイズ分散を表す。
• 生体内検証には、スパクタルドメインOCTスキャナ（480×289ピクセル、21 fps、10 μm軸方向分解能、20 μm横方向分解能）を用い、2 mm径のファイバー光ファイバー探針を剛性ピストンとして自由な圧迫操作に使用した。
• リアルタイム処理には、アモニチュード正規化、フレーム平均化、および基準画像との相互相関を用いてCSマップを生成し、赤色はより剛性の高い領域を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関安定性（CS）マッピングは、OCTにおける変位ベース（DB）エラストグラフィーと比較して、ひずみ範囲とノイズ耐性において優れているか？
• RQ2 ひずみとノイズレベルが変動する現実的な自由な操作条件下でも、CS手法は良好に動作するか？
• RQ3 ひずみとノイズ対信号比の観点から、CS手法の定量的動作可能領域はDB法と比較してどの程度か？
• RQ4 CS手法は、生体内人間皮膚における毛包などの剛性インクルージョンを信頼性高く検出できるか？
• RQ5 組織変形に伴う散乱子パターンの歪みがあっても、CSアプローチは正確性を維持できるか？

主な発見

• CS手法は最大150%のひずみ範囲で効果的に動作するが、従来のDB手法は約10%未満のひずみ範囲に制限されるため、はるかに広い範囲で利用可能である。
• CS手法はノイズに対してより耐性があり、信号劣化の閾値が高く設定されており、自由なOCTエラストグラフィーに適している。
• シミュレーション比較では、DBマッピングに必要な信号対ノイズ比（SNR）を下回る状況下でも、CS手法は剛性層の検出を維持している。
• 生体内例では、20×20および40×40ピクセルの相関ウィンドウを用いて、平均ひずみ20–50%の条件下で毛包が明確に赤色領域（剛性）として可視化された。
• CS手法は数値微分を必要とせず、DB手法で一般的に見られる誤差拡大を回避できる。
• 相関安定性パラメータ $C^*$ は、高ひずみや高ノイズ下でも、より剛性の高い領域で高い値を示し、相対的組織剛性の信頼できる指標である。