[論文レビュー] Sparse Doppler Sensing.

Regev Cohen, Yonina C. Eldar|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Advanced MRI Techniques and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、スペクトルドップラー超音波においてドップラーパルスの放射を低減しつつ、最小限の送信で完全なスペクトル再構成を可能にする、ネストドアレイを用いた非一様なスロウタイム送信方式を提案する。Bモード画像化に使用される時間の解放により、高フレームレートのデュプレックスイメージングを実現し、FFTベースおよび連続オフグリッド再構成の2つのスペクトル回復手法を用いる。

ABSTRACT

Spectral Doppler ultrasound imaging allows visualizing blood flow by estimating its velocity distribution over time. Duplex ultrasound is a modality in which an ultrasound system is used for displaying simultaneously both B-mode images and spectral Doppler data. In B-mode imaging short wide-band pulses are used to achieve sufficient spatial resolution in the images. In contrast, for Doppler imaging, narrow-band pulses are preferred in order to attain increased spectral resolution. Thus, the acquisition time must be shared between the two sequences. In this work, we propose a non-uniform slow-time transmission scheme for spectral Doppler, based on nested arrays, which reduces the number of pulses needed for accurate spectrum recovery. We derive the minimal number of Doppler emissions needed, using this approach, for perfect reconstruction of the blood spectrum in a noise-free environment. Next, we provide two spectrum recovery techniques which achieve this minimal number. The first method performs efficient recovery based on the fast Fourier transform. The second allows for continuous recovery of the Doppler frequencies, thus avoiding off-grid error leakage, at the expense of increased complexity. The performance of the techniques is evaluated using realistic Field II simulations as well as in vivo measurements, producing accurate spectrograms of the blood velocities using a significant reduced number of transmissions. The time gained, where no Doppler pulses are sent, can be used to enable the display of both blood velocities and high quality B-mode images at a high frame rate.

研究の動機と目的

• デュプレックス超音波におけるBモードとスペクトルドップラー画像化のトレードオフを解消するために、ドップラーパルス送信数を低減すること。
• ノイズのない環境下で完全なスペクトル再構成に必要なドップラー発信数を最小限に抑えること。
• ドップラーパルスに使用される時間の削減により、フレームレートを向上させるために、取得時間の解放を実現すること。
• 正確な血流速度推定に必要な理論的最小送信数を達成するスペクトル回復技術を開発すること。
• 臨床的妥当性を検証するため、実際のField IIシミュレーションおよび生体内測定を用いて性能を評価すること。

提案手法

• ドップラー信号のスパースサンプリングを達成するため、ネストドアレイ構造に基づく非一様なスロウタイム送信方式を提案する。
• ノイズのない条件下で完全なスペクトル再構成に必要な理論的最小ドップラー発信数を導出する。
• 最小限の非一様パルスから効率的にドップラースペクトルを再構成できるFFTベースのスペクトル回復手法を実装する。
• ドップラー周波数を連続変数としてモデル化することで、オフグリッド誤差漏れを回避する連続的回復技術を導入し、精度を向上させるが、計算複雑度が増加する。
• ドップラーパルス送信の削減により得られる時間を活用し、Bモード画像化に割り当てることで、高フレームレートでの同時表示を実現する。
• Field IIシミュレーションおよび生体内超音波データを用いて、本手法の妥当性を検証し、スペクトルの正確性と画像性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズのない環境下で、血液速度スペクトルの完全再構成に必要な最小限のドップラー発信数は何か？
• RQ2 ネストドアレイに基づく非一様送信方式は、この最小発信数を達成しつつ、スペクトル分解能を保持できるか？
• RQ3 提案されたFFTベースおよび連続的回復手法は、正確性と計算複雑度の観点でどのように比較できるか？
• RQ4 ドップラー送信の削減により得られる時間は、デュプレックスモードにおけるBモード画像のフレームレート向上にどの程度寄与できるか？
• RQ5 本手法は、現実的かつ生体内超音波環境でも正確なスペクトログラムを維持できるか？

主な発見

• ノイズのない環境下で、理論的最小パルス数を用いた非一様スロウタイム送信方式により、完全なドップラースペクトル再構成が達成された。
• FFTベースの回復手法により、最小限の送信数で効率的なスペクトル再構成が可能となり、計算の実行可能性が保証された。
• 連続的回復技術は、ドップラー周波数を連続変数としてモデル化することで、オフグリッド誤差漏れを回避し、スペクトルの正確性を向上させたが、計算複雑度が増加した。
• Field IIシミュレーションおよび生体内測定により、従来手法と比較して顕著に少ないドップラー送信数で、血液速度の正確なスペクトログラムが得られた。
• ドップラーパルス送信の削減により得られた時間のおかげで、高フレームレートのBモード画像化が可能となり、高品質なBモードとドップラーの同時可視化が実現した。
• ドップラーパルスに使用される時間の再割り当てにより、Bモード取得に時間を割り当てることで、本手法は高フレームレートのデュプレックスイメージングを可能にした。臨床的画像性能が向上した。