[論文レビュー] Reflection matrix approach for quantitative imaging of scattering media

William Lambert, Laura A. Cobus+3 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 8, 2019

Microwave Imaging and Scattering Analysis被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、焦点化ビームフォーミングを用いて仮想トランスデューサーを合成することで、散乱媒体内における定量的波動イメージングのための反射行列手法を提案する。これにより、波速度および複数散乱の顕在度の空間分解能に優れたマッピングが可能となり、ヒトの腹部のような複雑な媒体においても高分解能のイメージングが達成される。局所的フォーキング基準および散乱メトリクスを反射行列から抽出することで、従来の超音波イメージングをはるかに超える新たなコントラストメカニズムが提供される。

ABSTRACT

We present a physically intuitive matrix approach for wave imaging and characterization in scattering media. The experimental proof-of-concept is performed with ultrasonic waves, but this approach can be applied to any field of wave physics for which multi-element technology is available. The concept is that focused beamforming enables the synthesis, in transmit and receive, of an array of virtual transducers which map the entire medium to be imaged. The inter-element responses of this virtual array form a focused reflection matrix from which spatial maps of various characteristics of the propagating wave can be retrieved. Here we demonstrate: (i) a local focusing criterion that enables the image quality and the wave velocity to be evaluated everywhere inside the medium, including in random speckle, and (ii) an highly resolved spatial mapping of the prevalence of multiple scattering, which constitutes a new and unique contrast for ultrasonic imaging. The approach is demonstrated for a controllable phantom system, and for in vivo imaging of the human abdomen. More generally, this matrix approach opens an original and powerful route for quantitative imaging in wave physics.

研究の動機と目的

• 散乱媒体における波動物理学の分野に普遍的かつ非侵襲的な行列ベースの定量的波動イメージング手法を開発すること。
• 不均一で散乱する媒体において、従来の超音波イメージングの限界、特に波面歪みおよび複数散乱による画像品質の低下を克服すること。
• 単一側からのアクセスが可能な媒体の反射データのみを用いて、波速度および複数散乱の顕在度の空間的特徴を同定すること。
• 多要素アレイデータを活用して、標準的な反射率イメージングを超える定量的波動パラメータを抽出する、物理的に直感的なフレームワークを提供すること。
• 本手法の実用可能性を、制御されたファントムおよび生体におけるヒトの腹部イメージングにおいて検証し、臨床的妥当性を裏付けること。

提案手法

• 本手法は、全トランスデューサー素子からのエコーをコherentlyに結合することで、送信および受信の両方において媒体内に仮想トランスデューサー配列を合成する焦点化ビームフォーミングを用いる。
• この仮想アレイの素子間応答が、媒体全体にわたる各ペアの仮想トランスデューサー間のインパulse応答を表す焦点化された反射行列を形成する。
• この行列により、スパーキル支配領域でさえも、行列を焦点化基底に投影することによって、各画素における局所的ポイントスプレッド関数（PSF）の再構成が可能となる。
• PSFのストレール比から導出される局所的フォーキング基準は、波面歪みを定量化し、位相歪み解析を用いた波速度トモグラフィーを可能にする。
• 複数散乱の顕在度は、単一散乱寄与を抑圧するように反射行列を正規化し、平面波基底に投影することで、コherent backscattering（CBS）効果を抽出することによりマッピングされる。
• 本手法は、角度平均および送信行列を用いて遠方場強度プロファイルを計算し、各空間位置におけるコherent backscatteringおよび複数散乱率の定量的評価を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反射行列手法は、反射データのみを用いて散乱媒体内における波速度および複数散乱の定量的イメージングを可能にするか？
• RQ2 反射行列から導出される局所的フォーキング基準は、どのようにして波面歪みを推定し、波速度トモグラフィーを可能にするか？
• RQ3 強いスパーキルが存在する中でも、反射行列を用いて複数散乱の顕在度の空間的分布を高分解能でマッピングできるか？
• RQ4 本手法は、生物学的組織のような複雑で不均一な媒体において、画像品質の向上および新たなコントラストメカニズムの提供にどの程度寄与できるか？
• RQ5 散乱および波面歪みが顕著な状況、例えばヒトの腹部イメージングのような生体環境において、反射行列手法は頑健でかつ適用可能か？

主な発見

• PSFのストレール比から導出される局所的フォーキング基準により、スパーキル領域でさえも、媒体全体にわたる波速度および波面歪みの定量的推定が可能となった。
• 本手法は、高分解能で複数散乱の顕在度の空間的分布を正確にマッピングし、従来のイメージングでは得られない新たなコントラストメカニズムを明らかにした。
• 制御されたファントム実験では、既知の不均一性を用いたキャリブレーションにより、音速の測定誤差が1%未満に抑えられた。
• 生体におけるヒトの腹部イメージングでは、複雑で不均一な組織においても、波速度および散乱不均一性の明確な空間的マッピングが実現された。
• 正規化された反射行列を平面波基底に投影することで、コherent backscattering効果が顕在化し、特定の深さおよび位置における複数散乱の存在が確認された。
• 位相シフト展開による波面歪みの理論的モデル（式36–38）は、実験的に妥当性が確認され、波面歪みに伴うストレール比の低下と良好な一致を示した。