[論文レビュー] Technical Considerations when using Verasonics Research Ultrasound Platform for Developing a Photoacoustic Imaging System

Karl Kratkiewicz, Rayyan Manwar+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 90被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、臨床的応用への適合性を重視した線形アレイ型PAIを対象として、Verasonics Vantage 128研究用超音波プラットフォームを用いた光超音波イメージング（PAI）システムの開発に関する包括的な技術的ガイドを提供する。信号シーケンシング、ハードウェア統合、増幅、データ処理プロトコルについて詳細に記述し、研究者が再現可能なステップバイステップの実装フレームワークを提供するとともに、システムの制限事項と実用的配慮事項を特定している。

ABSTRACT

Photoacoustic imaging (PAI) is an emerging functional and molecular imaging technology that has attracted much attention in the past decade. Recently, many researchers have used the Vantage Verasonics research system for simultaneous ultrasound (US) and photoacoustic (PA) imaging. This was the motivation to write on the details of US/PA imaging system implementation and characterization using Verasonics platform. We describe the subtle details of US/PA imaging system setup, study the performance parameters of the system, and explain sequencing of the US/PA signal generation and signal amplification as well as the details required for efficient use of the hardware of the system and data processing protocols. We focused on linear-array based PAI due to its popularity and simple setup, as well as its high potential for clinical translatability. We have shown the sequencing of the US/PA signal generation, signal amplification, and related data processing protocols. A step-by-step guideline to develop and characterize PAI system using Vantage 128 has been presented. Some of the limitations of the vantage system are also listed. Photoacoustic imaging is a complement to the already established US imaging technique and may significantly increase its scope of application in diagnostic imaging and therapeutic monitoring. Combining with commercial medical US systems, the development of PAI can be accelerated by taking advantage of US image reconstruction and processing. With the information we presented in the body of this review and the four appendices, we described most of the experimental considerations one should know when working with the Vantage system for PAI tests.

研究の動機と目的

• Verasonics Vantage 超音波プラットフォームを用いた、標準化され実用的な光超音波イメージング（PAI）の実装ニーズに対応すること。
• 既存の超音波システムにPAIを統合する際の課題を克服するため、ハードウェアおよびソフトウェアの設定を詳細に提示すること。
• Vantage 128 プラットフォーム上での線形アレイ型PAIシステムのセットアップ、キャリブレーション、特性評価のための体系的で段階的なプロトコルを提供すること。
• Vantage システムをPAIに使用する際の固有の制限を特定・文書化し、実験設計をより的確に行えるようにすること。
• 商業用システムに既存の超音波画像再構成および処理パイプラインを活用することで、PAIの開発を加速すること。

提案手法

• 同時に超音波および光超音波信号を取得できるコアハードウェアプラットフォームとして、Vantage 128研究用超音波プラットフォームを採用した。
• レーザー励起（光超音波）と超音波送受信サイクルの同期信号生成シーケンスを設計・実装した。
• 組織吸収による低振幅・高帯域幅の音響波を考慮し、光超音波信号の増幅チェーンを最適化した。
• 生のRFデータから光超音波画像を抽出・再構成するためのデータ処理プロトコルを開発し、標準的な超音波再構成アルゴリズムと統合した。
• 信号対雑音比（SNR）測定、タイミング同期の確認、空間分解能評価を通じて、システムの特性評価を実施した。
• 再現性を確保するため、ハードウェアセットアップ図、ソフトウェア設定スクリプト、キャリブレーション手順を含む詳細な付録を提供した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Verasonics Vantage 128 プラットフォームは、どのようにして超音波と光超音波イメージングを同時に効果的に設定できるか？
• RQ2 ハイブリッドUS/PAシステムにおいて、レーザー励起を超音波信号取得と同期させるにあたり、どのような重要な技術的配慮が必要か？
• RQ3 低振幅の光超音波信号の整合性を保つために、どのような信号増幅および条件調整戦略が必要か？
• RQ4 既存の超音波画像再構成および処理パイプラインは、どのようにして光超音波画像形成に適応できるか？
• RQ5 Vantage システムを光超音波イメージング用途に使用する際の、固有のハードウェアおよびソフトウェアの制限は何か？

主な発見

• 適切にカスタム信号シーケンシングを施した場合、Vantage 128 プラットフォームは超音波および光超音波信号の信頼性の高い同期取得を可能にする。
• 光超音波信号の忠実性を保つには、適切な信号増幅とインピーダンスマッチングが不可欠であり、とくに微弱で高周波数の音響波に対して重要である。
• システムの特性評価から、SNRとタイミングジッタが画像品質に顕著に影響することが判明し、タイミング同期が重要な要因であることが明らかになった。
• 標準的な超音波再構成アルゴリズムを光超音波データに統合することで、迅速な画像形成が可能となり、システム開発が加速した。
• 制限事項として、レーザーパルス制御の制限、光超音波信号の動的範囲の制限、およびすべてのチャネルでの完全な同期達成の難しさが挙げられる。
• 提供されたステップバイステップのプロトコルおよび付録により、Vantage プラットフォーム上での線形アレイ型PAIシステムの再現可能なセットアップとキャリブレーションが可能になった。