[論文レビュー] Random Incident Waves for Fast Compressed Pulse-Echo Ultrasound Imaging

Martin F. Schiffner|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2017

Ultrasonics and Acoustic Wave Propagation参考文献 125被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ランダムなアポダイゼーション、時間遅延、またはハイブリッド方式を用いて生成されるランダム入射波を提案し、圧縮センシングに基づくパルスエコー超音波画像法の高速化を図る。エコー信号間の相互非コherentlyを向上させることで、画像品質と収束速度が向上し、軟部組織画像においては、ポイント spread 関数の全幅半最大値が最大73.7%減少し、構造的類似度が60.5%向上する。

ABSTRACT

Established image recovery methods in fast ultrasound imaging, e.g. delay-and-sum, trade the image quality for the high frame rate. Cutting-edge inverse scattering methods based on compressed sensing (CS) disrupt this tradeoff via a priori information. They iteratively recover a high-quality image from only a few sequential pulse-echo measurements or less echo signals, if (i) a known dictionary of structural building blocks represents the image almost sparsely, and (ii) their individual pulse echoes, which are predicted by a linear model, are sufficiently uncorrelated. The exclusive modeling of the incident waves as steered plane waves or cylindrical waves, however, has so far limited the convergence speed, the image quality, and the potential to meet condition (ii). Motivated by the benefits of randomness in CS, a novel method for the fast compressed acquisition and the subsequent recovery of images is proposed to overcome these limitations. It recovers the spatial compressibility fluctuations in weakly-scattering soft tissue structures, where an orthonormal basis meets condition (i), by a sparsity-promoting $\ell_{q}$-minimization method, $q \in [0; 1]$. A realistic $d$-dimensional model, $d \in \{2, 3\}$, accounting for diffraction, single monopole scattering, the combination of power-law absorption and dispersion, and the specifications of a planar transducer array, predicts the pulse echoes of the individual basis functions. Three innovative types of incident waves, whose syntheses leverage random apodization weights, time delays, or combinations thereof, aid in meeting condition (ii). In two-dimensional numerical simulations, single realizations of these waves outperform the prevalent quasi-plane wave for both the canonical and the Fourier bases. They significantly reduce the full extents at half maximum of the point spread functions by up to 73.7 %.

研究の動機と目的

• 圧縮センシングを活用して、超高速超音波画像法におけるフレームレートと画像品質のトレードオフを解消する。
• 従来のスティアド平面波や円筒波には、エコー相互相関性が低く収束が遅いという限界があるため、それを克服する。
• スパarsity促進最適化を用いて、弱散乱性の軟部組織においても、より高速かつ高品質な画像再構成を実現する。
• 画像基底関数と最大限に非コherentlyな入射波形を設計し、圧縮センシングの条件を満たす。
• 数値シミュレーションおよびファントム実験において、標準的な準平面波よりも優れたランダム波形の有効性を実証する。

提案手法

• ランダムなアポダイゼーション重み、ランダムな時間遅延、または両者のハイブリッドを用いた、3種類の新規な入射波タイプを提案する。
• 2次元（d=2）または3次元（d=3）の物理モデルを採用し、回折、単一モノポール散乱、パワーロー吸収・分散、および平面トランスデューサアレイ応答を組み込む。
• スパースなエコー測定値から可換性フラクチュエーションを回復するために、ℓq-最小化（q ∈ [0,1]）を用い、既知の正規直交基底におけるスパarsityを促進する。
• 各基底関数のパルスエコー応答をヘルムホルツ方程式および自由空間グリーン関数を用いてモデル化し、物理的正確性を確保する。
• 高速多重極子法とGPU計算を活用して、エコー信号のシミュレーションおよび再構成を高速化する。
• 実際の超音波システム制約下で、数値ファントムおよび組織模倣ファントムを用いて、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダム入射波は、従来のスティアド平面波と比較して、エコー信号の非コherentlyを顕著に向上させることができるか？
• RQ2 ランダム波形は、圧縮センシングに基づく超音波画像法において、画像品質と収束速度をどの程度向上させるか？
• RQ3 アポダイゼーション、時間遅延、またはハイブリッドの異なるランダム波形設計は、相互相関性と再構成性能においてどのように比較されるか？
• RQ4 ランダム入射波は、軟部組織画像における構造的類似度指数および平均二乗誤差にどのような影響を与えるか？
• RQ5 提案手法は、従来手法よりも少ない測定数で高品質な画像再構成を達成しつつ、リアルタイム実現可能性を維持できるか？

主な発見

• ランダム入射波は、準平面波と比較して、ポイント spread 関数の全幅半最大値を最大73.7%まで短縮した。
• 組織模倣ファントムにおいて、q = 0.5の場合、平均構造的類似度指数が最大60.5%向上し、相対的平均二乗誤差が最大55.5%低下した。
• 2次元シミュレーションにおいて、ランダム波の単一実現が、2次元の正規直交基底（標準的およびフーリエ基底）において、従来の準平面波を上回る性能を示した。
• 相対誤差低減の観点から、q = 1の場合は収束速度が最大44.1%向上し、q = 0.5の場合は55.5%向上した。
• ベースライン手法と比較して、画像品質指標において顕著な改善が得られ、構造的類似度が最大2.7%向上し、相対誤差低減率が22.9%向上した。
• ランダムアポダイゼーションと時間遅延の併用により、エコー信号間の相互非コherentlyが向上し、成功した圧縮センシングのための重要な条件を満たした。