[論文レビュー] The SVD Beamformer: Physical Principles and Application to Ultrafast Adaptive Ultrasound

Hanna Bendjador, Thomas Deffieux+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2019

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 38被引用数 61

ひとこと要約

本論文は、複数の平面波伝搬からの散乱データを用いたSVDベースの偏向訂正および超高速超音波の適応ビームフォーミングを提案し、異質媒質におけるリアルタイム適応画像化を実現する。

ABSTRACT

A shift of paradigm is currently underway in biomedical ultrasound thanks to plane and diverging waves for ultrafast imaging. One remaining challenge consists in the correction of phase and amplitude aberrations induced during propagation through complex layers. Unlike conventional line-per-line imaging, ultrafast ultrasound provides for each transmission, backscattering information from the whole imaged area. Here, we take benefit from this feature and propose an efficient approach to perform fast aberration correction based on the Singular Value Decomposition of an ultrafast compound matrix built from backscattered data for several plane wave transmissions. First, we explain the physical signification of SVD and associated singular vectors within the ultrafast matrix formalism. We theoretically demonstrate that the spatial and angular variables separation, rendered by SVD on ultrafast data, provides an elegant and straightforward way to optimize angular coherence of backscattered data. In heterogeneous media with an aberrating phase screen approximation, we demonstrate that the first spatial and angular singular vectors retrieve on one side the non-aberrated image, and on the other, the phase and amplitude of the aberration law. In vitro results prove the efficiency of the image correction, but also the accuracy of the aberrator determination. Based on spatial and angular coherence, we introduce a complete methodology for adaptive beamforming of ultrafast data, performed on successive isoplanatism patches undergoing SVD beamforming. The simplicity of this method paves the way to real-time adaptive ultrafast ultrasound imaging and provides a theoretical framework for future quantitative ultrasound applications.

研究の動機と目的

• 超高速平面/発散波超音波への移行を動機づけ、迅速な画像化のための残存位相/振幅の偏向を特定する。
• 複合された超高速データマトリクス上でSVDを用いて偏向を補正するデータ駆動法を開発する。
• 超高速マトリクス形式における特異ベクトルの物理的意味と、それがコヒーレンス最適化に果たす役割を説明する。
• SVDに基づく等光性パッチ上で実用的な適応ビームフォーミング作業フローを提案し、リアルタイム画像化を実現する。

提案手法

• 複数の平面波伝搬にわたる散乱情報から超高速複合データマトリクスを構築する。
• 特異値分解を適用して空間情報と角度情報を分離する。
• 非偏向画像と偏向法則に、それぞれ最初の空間的・角度的特異ベクトルを理論的に関連づける。
• 体外実験で、SVDベースの補正が画像品質を改善し、正確に偏向体を復元することを示す。
• SVDを用いたコヒーレンス原理に基づく等光性パッチ上での連続的な適応ビームフォーミングの全体的なワークフローを開発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SVDを超高速散乱データの空間・角度成分を分離することで偏向をどのように補正できるか。
• RQ2 最初の空間的および角度的特異ベクトルは、異質媒質における非偏向画像と偏向法則を回収できるか。
• RQ3 SVDベースの適応ビームフォーミングフレームワークは、位相と振幅の偏向が存在する超高速超音波画像化を改善するか。
• RQ4 等光性パッチ全体でのリアルタイム適応超高速超音波は可能か。

主な発見

• SVD分離は、散乱データの角度整合性を最適化するための直接的な方法を提供する。
• 最初の空間的および角度的特異ベクトルは、それぞれ非偏向画像と偏向法則を回復できる。
• 体外実験の結果、効率的な画像補正と正確な偏向体推定を確認した。
• SVDコヒーレンス原理に基づく等光性パッチ上での完全な適応ビームフォーミング手法が提案されている。
• このアプローチは、リアルタイムの適応超高速超音波画像化の可能性を支持する。