[論文レビュー] Fully three-dimensional sound speed-corrected multi-wavelength photoacoustic breast tomography

Maura Dantuma, Felix Lucka+22 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2023

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用数 8

ひとこと要約

この論文は PAM3 を提示します。PAM3 はハイブリッドなフォトアクースティックと超音波伝搬トモグラフィ系で、3D の多波長フォトアクースティック乳房イメージングを完全3Dで可能にし、3D 音速マップで不均質性を補正して深部イメージングと等方的解像度を実現します。

ABSTRACT

Photoacoustic tomography is a contrast agent-free imaging technique capable of visualizing blood vessels and tumor-associated vascularization in breast tissue. While sophisticated breast imaging systems have been recently developed, there is yet much to be gained in imaging depth, image quality and tissue characterization capability before clinical translation is possible. In response, we have developed a hybrid photoacoustic and ultrasound-transmission tomographic system PAM3. The photoacoustic component has for the first time three-dimensional multi-wavelength imaging capability, and implements substantial technical advancements in critical hardware and software sub-systems. The ultrasound component enables for the first time, a three-dimensional sound speed map of the breast to be incorporated in photoacoustic reconstruction to correct for inhomogeneities, enabling accurate target recovery. The results demonstrate the deepest photoacoustic breast imaging to date namely 48 mm, with a more uniform field of view than hitherto, and an isotropic spatial resolution that rivals that of Magnetic Resonance Imaging. The in vivo performance achieved, and the diagnostic value of interrogating angiogenesis-driven optical contrast as well as tumor mass sound speed contrast, gives confidence in the system's clinical potential.

研究の動機と目的

• 対照剤なしでフォトアクースティック乳房イメージングの深度、品質、組織特性評価を進展させる。
• 超音波由来の三次元音速マッピングを組み込み、音響の不均質を補正する。
• 乳房組織における深部イメージング性能と均一な視野を実証する。
• 血管新生駆動の光学コントラストと腫瘍質量の音速対比の診断ポテンシャルを評価する。

提案手法

• PAM3 を開発した。フォトアクースティックと超音波伝搬トモグラフィのハイブリッドシステム。
• 三次元・多波長フォトアクースティックイメージング能力を実装。
• 超音波からの三次元音速マップを組み込み、フォトアクースティック再構成を補正。
• 組織の音速不均質を考慮した再構成アルゴリズム補正を適用。
• imaging depth, field of view, and isotropic resolution against prior approaches.
• 血管と腫瘍関連コントラストの診断価値を評価するin vivo デモを提示。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3D 音速情報を用いた再構成は、乳房フォトアクースティックトモグラフィにおける深度と等方性を改善できるか。
• RQ2 乳房組織における多波長フォトアクースティックイメージングで達成可能な深度と視野はどの程度か。
• RQ3 超音波由来の音速マップを統合すると、フォトアクースティック乳房イメージングにおける腫瘍と血管コントラストの精度はどう変化するか。
• RQ4 血管新生関連の光学コントラストと腫瘍音速対比を組み合わせたin vivo の診断ポテンシャルはどれほどか。

主な発見

• これまでで最も深いフォトアクースティック乳房イメージング深度（48 mm）を達成。
• 以前のシステムより均一な視野を得た。
• MRI に匹敵する等方的な空間解像度を得た。
• 光学と音速コントラストを組み合わせた血管新生と腫瘍特徴付けのin vivo パフォーマンスと潜在的臨床価値を実証。
• 3D 音速補正が異質な乳房組織でのターゲット回収を改善することを示した。