[論文レビュー] Super-Resolution Ultrasound Imaging of Vascular Structures with High Temporal Resolution

Avinoam Bar‐Zion, Charles Tremblay‐Darveau+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2016

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超解像光フラクチュエーションイメージング（SOFI）の原則を対比増強超音波（CEUS）平面波スキャンに適応することで、1秒未塔のスキャン時間で回折限界を下回る空間分解能を実現する超解像超音波イメージング法を提案する。マイクロバブルのフラクチュエーションの高次統計的解析を活用することで、ポイント spread 関数の全幅半最大（FWHM）が最大50％狭くなり、バックグラウンドノイズが顕著に低減され、生体において毛細血管レベルの血流構造をリアルタイムで可視化可能となる。

ABSTRACT

Ultrasound super-localization microscopy techniques presented in the last few years enable non-invasive imaging of vascular structures at the capillary level by tracking the flow of ultrasound contrast agents (gas microbubbles). However, these techniques are currently limited by low temporal resolution and long acquisition times. Super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI) is a fluorescence microscopy technique enabling sub-diffraction limit imaging with high temporal resolution by calculating high order statistics of the fluctuating optical signal. The aim of this work is to achieve fast super-resolution acoustic imaging by applying the tools used in SOFI to contrast-enhance ultrasound (CEUS) plane-wave scans. The proposed method was tested using numerical simulations and evaluated using two in-vivo rabbit models: scans of healthy kidneys and VX-2 tumor xenografts. Improved spatial resolution was observed with a reduction of up to 50% in the full width half max of the point spread function. In addition, substantial reduction in the background level was achieved compared to standard mean amplitude persistence images, revealing small vascular structures within tumors. The scan duration of the proposed method is less than a second while current super-localization techniques require acquisition duration of several minutes. As a result, the proposed technique may be used to obtain scans with sub-diffraction spatial resolution and high temporal resolution, facilitating flow-dynamics monitoring. Our method can also be applied during a breath-hold, reducing the sensitivity to motion artifacts.

研究の動機と目的

• 既存のスーパーローカリゼーション超音波技術の低時間分解能および長時間の取得時間の課題を克服すること。
• スキャン時間の短縮により、1分未塔から1秒未塔にまで短縮することで、微小循環動態のリアルタイムモニタリングを可能にすること。
• CEUSイメージングにおける空間分解能の向上とバックグラウンドノイズの低減により、毛細血管レベルの構造の可視化を向上させること。
• 呼吸停止に準拠したスキャンを可能にすることで、運動アーチファクトを最小限に抑えること。

提案手法

• 蛍光顕微鏡におけるSOFIの原則を応用し、CEUS平面波スキャンの時間的フラクチュエーションを解析する。
• マイクロバブルからのフラクチュエーティング振幅信号に対して高次統計モーメント（例：峰度）を適用し、分解能を向上させる。
• 複数フレームにわたるマイクロバブル信号の時間的相関を用いて、スーパーレゾリューション画像を再構築する。
• 統計的モーメント解析を用いて生データのCEUSを処理し、バックグラウンドを抑制するとともに真のマイクロバブル信号を強調する。
• リアルタイムで平面波超音波データを処理し、スーパーレゾリューション血管マップを生成する計算パイプラインを実装する。
• 数値シミュレーションおよび健常な腎臓およびVX-2腫瘍接着モデルを用いた生体実験により、手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SOFIに基づく統計的解析は、スーパーローカリゼーション超音波イメージングの時間分解能を向上させ得るか？
• RQ2 マイクロバブルのフラクチュエーションの高次統計は、回折限界を超える空間分解能をどの程度向上させ得るか？
• RQ3 提案手法は、CEUSイメージングにおけるバックグラウンドノイズ低減とコントラストノイズ比の向上を実現できるか？
• RQ4 平面波CEUSを用いて1秒未塔で回折限界を下回る分解能を達成することは可能か？
• RQ5 臨床現場において呼吸停止中に応用可能であり、生理的運動アーチファクトへの感受性を著しく低減できるか？

主な発見

• 提案手法は、標準的な平均振幅持続性イメージングと比較して、ポイント spread 関数の全幅半最大（FWHM）を最大50％まで短縮した。
• バックグラウンドノイズレベルが顕著に低減され、腫瘍内での小血管構造の明瞭な可視化が可能となった。
• スキャン時間は1秒未塔にまで短縮され、リアルタイムでのスーパーレゾリューションイメージングが可能となった。
• 本手法は、健常な腎臓およびVX-2腫瘍接着モデルの両方で毛細血管レベルの血管詳細を明確に同定できた。
• 呼吸停止スキャンに準拠した手法であるため、生理的運動アーチファクトへの感受性が著しく低減された。
• マイクロバブルのフラクチュエーションの高次統計的解析により、長時間のデータ取得を要せずとも空間分解能が効果的に向上した。