[論文レビュー] Towards quantitative tissue absorption imaging by combining photoacoustics and acousto-optics

Khalid Daoudi, Wiendelt Steenbergen|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2012

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 21被引用数 37

ひとこと要約

本稿では、光超音波法と音響光学法を組み合わせることで、定量的組織吸収イメージングのための新規実験的手法を提示する。散乱媒体内における光の伝搬の超音波誘発的変調および光路対称性の原則を活用することで、著者らは局所吸収係数と非侵襲的測定値との関係を理論的に導出し、実際の染色体濃度マッピングの妥当性をモンテカルロシミュレーションにより検証した。

ABSTRACT

We propose a strategy for quantitative photoacoustic mapping of chromophore concentrations that can be performed purely experimentally. We exploit the possibility of acousto-optic modulation using focused ultrasound, and the principle that photons follow trajectories through a turbid medium in two directions with equal probability. A theory is presented that expresses the local absorption coefficient inside a medium in terms of noninvasively measured quantities and experimental parameters. Proof of the validity of the theory is given with Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 侵襲的キャリブレーションを要しない生体組織内の染色体濃度の定量的マッピングを可能にすること。
• 絶対的吸収量の定量的評価に前提条件やキャリブレーションに依存する既存の光超音波イメージング技術の限界を克服すること。
• 音響光学的変調と光路対称性に基づく純粋な実験的手法の開発により、精度の向上を図ること。
• 散乱媒体内における測定可能な量と局所吸収係数との間の理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• 焦点を合わせた超音波を用いて散乱媒体内での光の伝搬を変調し、光の経路履歴に基づいた選択的検出を可能にする。
• 光子が前向きおよび後向きに等確率で進行することを利用し、双方向の光路再構築を可能にする。
• 局所吸収係数は、異なる深さまたは位置で測定された音響光学的変調信号の比から導出される。
• 理論は超音波周波数、ビーム幅、検出幾何学などの実験パラメータを組み込み、信号応答をモデル化する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて光子輸送をモデル化し、実際の組織に類似した散乱条件下での理論的予測の妥当性を検証する。
• 光学特性の事前知識やキャリブレーション用インデックスを必要とせず、吸収係数の直接的定量化が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非侵襲的測定と音響光学的変調のみを用いて、散乱媒体内での染色体濃度を定量的にマッピングできるか？
• RQ2 光路対称性に基づく理論モデルを用いて、音響光学的変調信号から局所吸収係数をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ3 超音波の焦点合わせと信号検出幾何学が、吸収係数の空間分解能および定量的精度を向上させる役割を果たすか？
• RQ4 提案手法が、キャリブレーションインデックスや光学特性に関する事前仮定への依存度をどの程度低減できるか？
• RQ5 散乱媒体内での光輸送のモンテカルロシミュレーションと照らし合わせた場合、理論モデルが吸収係数をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• 理論的枠組みは、局所吸収係数を測定可能な音響光学信号および実験パラメータと結びつけることに成功し、定量的再構築が可能となった。
• モンテカルロシミュレーションによりモデルの妥当性が確認され、さまざまな染色体濃度において吸収係数の正確な予測が得られた。
• キャリブレーションインデックスや散乱・吸収特性の事前知識を必要とせず、定量的マッピングが実現した。
• 焦点を合わせた超音波変調と方向性光路解析により、信号対雑音比と空間分解能が向上した。
• 散乱媒体内での光子伝搬の対称性を活用することで、散乱の変動に対して著しく頑健であることが示された。
• 結果から、絶対的染色体濃度の定量的評価が不可欠な生体内応用において、本手法が実用可能であることが示された。