[論文レビュー] Phase-Aberration Correction in Shear-wave Elastography Imaging Using Local Speed-of-Sound Adaptive Beamforming

Bhaskara Rao Chintada, Richard Rau+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2021

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、剪切波エラス토グラフィ画像法（SWEI）における位相歪みを補正するため、局所的な音速（SoS）に適応するビームフォーミング手法を提案する。これにより、そうでなければ剪切波速度（SWS）推定に顕著なバイアスをもたらす。シミュレーションと豚の筋肉組織を用いたin vitro実験を通じて、既知の局所的SoSマップを用いたビームフォーミングが、一定SoSビームフォーミングと比較してSWS推定の乖離を4.3倍以上低減することを実証した。これは、正確なSoS分布の特定が、信頼性の高い弾性度測定に不可欠であることを示している。

ABSTRACT

Shear-wave Elastography Imaging (SWEI) is a noninvasive imaging modality that provides tissue elasticity information by measuring the travelling speed of an induced shear-wave. It is commercially available on clinical ultrasound scanners and popularly used in the diagnosis and staging of liver disease and breast cancer. In conventional SWEI methods, a sequence of acoustic radiation force (ARF) pushes are used for inducing a shear-wave, which is tracked using high frame-rate multi-angle plane wave imaging (MA-PWI) to estimate the shear-wave speed (SWS). Conventionally, these plane waves are beamformed using a constant speed-of-sound (SoS), assuming an a-priori known and homogeneous tissue medium. However, soft tissues are inhomogeneous, with intrinsic SoS variations. In this work, study the SoS effects and inhomogeneities on SWS estimation, using simulation and phantoms experiments with porcine muscle as an abbarator, and show how these aberrations can be corrected using local speed-of-sound adaptive beamforming. For shear-wave tracking, we compare standard beamform with spatially constant SoS values to software beamforming with locally varying SoS maps. We show that, given SoS aberrations, traditional beamforming using a constant SoS, regardless of the utilized SoS value, introduces a substantial bias in resulting SWS estimations. Average SWS estimation disparity for the same material was observed over 4.3 times worse when a constant SoS value is used compared to that when a known SoS map is used for beamforming. Such biases are shown to be corrected by using a local SoS map in beamforming, indicating the importance of and a need for local SoS reconstruction techniques.

研究の動機と目的

• 剪切波エラス토グラフィ画像法（SWEI）における音速（SoS）の不均一性が剪切波速度（SWS）推定に与える影響を調査すること。
• 多角度平面波イメージング（MA-PWI）において、ビームフォーミングに一定SoS値を用いる場合に生じるSWS推定バイアスを評価すること。
• 局所的SoSに適応するビームフォーミングが位相歪みを補正し、SWS推定誤差を低減できることを実証すること。
• 臨床的SWEIにおける信頼性の高い組織弾性度の定量的評価を実現するため、正確な局所的SoS再構成の必要性を確立すること。

提案手法

• 異なるSoS（水および豚の筋肉）を有する層状媒体を用いた、不均一な柔ららか組織を模擬した剪切波の伝播を模擬する。
• 制御された条件下で、豚の筋肉組織を用いたin vitro実験を実施し、シミュレーション結果の妥当性を検証する。
• 事前知識から得た局所的に変化するSoSマップと一定SoS値の両方を用いて、多角度平面波（MA-PWI）データのビームフォーミングを実施する。
• 連続するフレーム間の変位時間プロファイル（DTP）の相互相関を用いてSWS推定を実施し、剪切波フロントの伝播を追跡する。
• 一定SoSビームフォーミングと、空間的に変化するSoSマップを用いたSoS適応型ビームフォーミングの両方を用いてSWS推定値を比較する。
• 屈折のモデル化を行わない直線的経路ビームフォーミングを用いることで、SoS関連のビームフォーミング誤差を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一定SoSビームフォーミングを用いる場合、軟部組織内のSoS不均一性がSWEIにおける剪切波速度（SWS）推定にどのように影響するか？
• RQ2 局所的音速に適応するビームフォーミングが、位相歪みによって生じるSWS推定バイアスを低減または除去できるか？
• RQ3 異種組織を含む不均一媒体全体でSWS推定誤差を軽減できる単一の一定SoS値が存在するか？
• RQ4 SWEIにおけるビームフォーミングに既知の局所的SoSマップを用いることで、一定SoSビームフォーミングと比較してSWS推定精度がどの程度向上するか？
• RQ5 SWEIのビームフォーミングにおいて、不適切または一定のSoS値を用いる場合、SWS推定乖離の大きさはどの程度か？

主な発見

• 一定SoS値を用いたビームフォーミングでは、既知の局所的SoSマップを用いた場合と比較して、SWS推定の平均乖離が4.3倍以上悪化する。
• 真のSoSが分かっていなくても、いかなる単一の一定SoS値を用いても、異なる組織層全体でSWS推定バイアスを完全に除去することはできなかった。
• SWS推定誤差の主な原因は、ビームフォーミングの不正確さに起因しており、剪切波生成とは無関係であることが確認され、ビームフォーミングがバイアスの主な要因であることが裏付けられた。
• 屈折効果のモデル化を行わない状況でも、局所的SoSマップをビームフォーミングに組み込むことで、系統的なSWS推定バイアスが完全に解消された。
• 同じ組織に対して、SWSに基づく弾性率推定値は、ビームフォーミングにおけるSoS仮定の違いにより最大3.89 kPa（4.67 kPaから8.94 kPa）のばらつきを示し、誤診の臨床的リスクを浮き彫りにした。
• 本結果は、標準化されたSWEI測定と信頼性の高い疾患ステージングを実現するため、正確な局所的SoS再構成が不可欠であることを示している。