[論文レビュー] Dynamic particle enhancement in limited-view optoacoustic tomography

Xosé Luís Deán‐Ben, Lu Ding+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2015

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、動的粒子強化型光音響トモグラフィー（DPOT）を提案する。この手法は、光音響波を全方向に発する動き回る希釈分布のマイクロスフィアを追跡することで、限られた視野における光音響画像の可視性を向上させる。これらの動的粒子の複数回のトモグラフィック再構成を非線形的に組み合わせることで、限られた角度カバレッジによって遮蔽されがちな構造（例：血管）のコントラストと可視性が顕著に向上する。3次元マイクロスフィア懸濁液およびチューブ型アンサンブルを用いた実験でその有効性が実証された。

ABSTRACT

Limited-view artefacts are commonly present in optoacoustic tomography images, mainly due to practical geometrical and physical constraints imposed by the imaging systems as well as limited light penetration into large optically opaque samples. Herein, a new approach termed dynamic particle-enhanced optoacoustic tomography (DPOT) is proposed for improving image contrast and visibility of optoacoustic images under limited-view scenarios. The method is based on the non- linear combination of a temporal sequence of tomographic reconstructions representing sparsely distributed moving particles. We demonstrate experimental performance by dynamically imaging the flow of suspended microspheres in three dimensions, which shows promise for DPOT applicability in angiographic imaging in living organisms.

研究の動機と目的

• 検出アレイの不完全な角度カバレッジによって引き起こされる光音響トモグラフィーにおける限られた視野アーチファクトを解消すること。
• 画像化対象構造内に移動可能な、光音響活性を示すマイクロスフィアを導入することで、延長された吸収体（例：血管）の可視性を向上させること。
• 線形画像重ね合わせの限界を克服し、ノイズ低減のみにとどまらず、限られた視野アーチファクトを緩和しない手法。
• 臨床的応用に即した限られたトモグラフィックアクセス条件下でも、高コントラストで深部組織の血行動態イメージングを可能にすること。
• 完全な360°角度カバレッジを必要としない、非侵襲的で光学・超音波を融合した画像診断手法を開発し、画像品質を向上させること。

提案手法

• 生体適合性のマイクロスフィア（例：50 µmのポリエチレンスフィア）を、サンプル内に希釈して配置し、動的かつ全方向に光音響波を発生するソースとして用いる。
• 粒子が画像化領域内を移動する間に、時間的経過に伴う光音響トモグラフィック再構成の系列を取得する。
• 再構成フレームの非線形結合（重ね合わせ）を適用し、限られた視野アーチファクトの影響を受ける構造の可視性を向上させる。
• 非負制約を課したモデルベースの逆問題解法を用いて、最終合成画像の忠実性を高め、アーチファクトを低減する。
• 最終的なDPOT再構成において、構造的詳細を保持しながらノイズを低減するため、メディアンフィルタリング（5×5×5ボクセル）を適用する。
• 個々の粒子が全方向から検出可能な球面波を発生することを活用し、検出幾何学における欠落した角度データを補完する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限られた角度カバレッジ下で、動的マイクロスフィアを用いて光音響トモグラフィーにおける構造の可視性を向上させることができるか？
• RQ2 動的粒子からの複数のトモグラフィック再構成を非線形的に組み合わせることで、線形平均と比較して限られた視野アーチファクトをより効果的に低減できるか？
• RQ3 検出アパーチャ外に圧力波を発する延長された吸収体（例：血管）の可視化が、DPOTによって向上するか？
• RQ4 非負制約を課した逆問題解法と制約なしの逆問題解法を比較すると、DPOTにおける画像品質向上にどの程度差が現れるか？
• RQ5 実用的なトモグラフィックカバレッジ制限のもとで、DPOTは体内血行動態イメージングにどの程度応用可能か？

主な発見

• 80フレームの時間的経過による再構成を非線形的に重ね合わせることで、限られた視野条件下でもくびれ形状のチューブ型アンサンブルの可視性が顕著に向上した。
• 非負制約を課した逆問題解法により得られた最終画像（図3e）は、制約なしの線形重ね合わせによる画像（図3d）と比較して、構造の忠実性が高く、直径推定値もより正確であった。
• 360°の完全な角度カバレッジがない状況下でも、DPOTにより従来見えなかったチューブアンサンブルの領域、特に検出アレイの中心軸に沿った領域が明確に可視化された。
• 限られた検出アングルでのみのデータを用いても、複雑な血管様構造（くびれ）の形状を正確に再構成でき、血行動態イメージングへの可能性を示した。
• 個々の粒子信号の利用により、従来の線形平均と比較してコントラストが向上し、アーチファクトも低減された。線形平均はノイズ低減にとどまり、限られた視野効果は解消しなかった。
• 結果から、DPOTは生体適合性でスペクトル的に異なる、または光スイッチ可能な粒子を用いることで、さらに感度と特異性を向上させ、体内応用に拡張可能であると示唆された。