[論文レビュー] Ultrasound imaging of the human body with three dimensional full-wave nonlinear acoustics. Part 1: simulations methods

Gianmarco Pinton|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2020

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、可視人体データセットを用いて解剖学的に正確な音響マップを生成することで、人体イメージングにおける3次元フルウェーブ非線形超音波シミュレーションの初の試みを提示する。有限差分法を用いて波動伝播およびバックスキャッタリングを第一原理からシミュレートすることで、ハーモニックイメージングが、より狭いビームプロファイルと低相違乱（23.4 ns）により優れた画像品質（CNR = 0.79 対 0.67）を実現することを示した。これにより、3次元における画像劣化要因の現実的な評価が可能になった。

ABSTRACT

Simulations of three dimensional ultrasound propagation in heterogeneous media are computationally intensive due to the constraints arising from the large size of the domain, which is on the order of hundreds of wavelengths, and the small size of scatterers, which are much smaller than a wavelength. Consequently, three dimensional ultrasound imaging simulations are currently based on models that simplify the propagation physics. Here the full three dimensional wave physics is simulated with finite differences to generate ultrasound images of the human body based directly on the first principles of propagation and backscattering. The Visible Human project, a 3D data set of the human body that was generated with photographs of 0.33 mm cryosections, is converted into 3D acoustical maps. A full-wave nonlinear acoustic simulation tool is used to propagate ultrasound into the liver with a 2D intercostal ultrasound array in a $93 imes 39 imes 22$ mm domain with $6 imes10^8$ points. Imaging metrics, based on the beamplots, root-mean-square phase aberration, spatial coherence lengths, and contrast-to-noise ratio are used to characterize the image quality. It is shown that the harmonic image quality is better than the fundamental image quality due, in part, to a narrower beam profile. The root-mean-square estimate of aberration after propagation through the simulated body wall is shown to be low (23.4 ns), consistently with previous reports of aberration measured experimentally in a human body wall. The spatial coherence measured at the transducer surface indicates that a transducer array element size of $<0.81 λ$ would be required to fully sample the acoustic field. These simulated three dimensional ultrasound images based directly on propagation physics provide a platform to investigate the sources of image degradation in three dimensions (included in Part II).

研究の動機と目的

• 人体イメージングを対象とした、第一原理の波動物理学に基づく高精度な3次元超音波シミュレーションフレームワークの開発。
• 可視人体データセットから導出された3次元音響マップを用いて、波長未満の散乱体を含む大規模な領域をシミュレートする計算課題を、有限差分法により克服すること。
• 実際の解剖学的状況下で、ビームプロファイル、位相異常、コherー二ンス、対比ノイズ比（CNR）といった画像品質指標の正確な特徴付けを可能とすること。
• 第II部で詳細に述べられるように、3次元におけるリバーブレーションや分散異常といった画像劣化メカニズムの研究基盤を構築すること。
• トランスコスタル肝臓イメージングのシナリオにおいて、基本波とハーモニックイメージングの性能を比較することで、シミュレーションプラットフォームの妥当性を検証すること。

提案手法

• 0.33 mmの氷凍結断層に基づく可視人体3次元光学データセットを、音速、密度、減衰率の詳細な3次元音響特性マップに変換する。
• フルウェーブ有限差分ソルバーを用いて、回折、散乱、非線形性、周波数依存減衰を含む完全な波動物理を考慮した、不均一な組織内を通過する3次元非線形超音波伝播をシミュレートする。
• 2次元トランスコスタルアレイを用いて2 MHzでパルスを送信し、6×10⁸グリッドポイントを有する93×39×22 mmの領域でバックスキャッタ信号を受信する。
• 201,000個のシミュレーションポイントを仮想要素として用い、横方向および垂直方向に動的受信焦点化を実装した遅延・和算ビームフォーミングを実装する。
• 送信周波数およびその2倍周波数でそれぞれガウスフィルタを用いて基本波成分とハーモニック成分を分離する。
• ビームプロット、平均二乗位相異常、空間コherー二ンス長、対比ノイズ比（CNR）を用いた定量的画像品質評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一原理に基づくフルウェーブ非線形3次元超音波シミュレーションは、簡略化モデルと比較して、不均一な人体組織における画像品質予測においてどのように異なるか？
• RQ2 組織の不均一性および体壁が、トランスコスタル超音波イメージングにおける位相異常およびビームプロファイルに及ぼす影響は何か？
• RQ3 現実的な3次元解剖学的モデルにおいて、ハーモニックイメージングと基本波イメージングは、ビーム幅、 sidelobeレベル、対比ノイズ比においてどのように比較されるか？
• RQ4 空間コherー二ンス測定に基づいて、音響場を完全にサンプリングするためのトランスデューサーエレメントサイズはどの程度か？
• RQ5 フルウェーブシミュレーションによって明らかにされた、3次元トランスコスタル超音波イメージングにおける画像劣化の主な要因（リバーブレーションや異常など）は何か？

主な発見

• シミュレートされたハーモニック画像は、基本波画像（CNR = 0.67）よりも高い対比ノイズ比（CNR = 0.79）を達成しており、病変の検出能の向上を示している。
• シミュレートされた体壁を通過した後の平均二乗位相異常は23.4 nsであり、実験測定と整合的で、中程度の歪みを示している。
• 空間コherー二ンス解析から、トランスデューサーエレメントサイズは0.81λ未満にすべきであると示され、音響場を完全にサンプリングするための重要な設計制約が特定された。
• 基本波とハーモニックモードのビームプロットでは、同程度のビーム幅と sidelobe レベルを示したが、ハーモニックイメージングではより狭い有効ビームプロファイルを示し、分解能の向上に寄与した。
• 基本波およびハーモニックBモード画像の両方で、近位組織層（0–30 mm）および内部肝臓構造（48 mmおよび60 mmの深さ）が明確に可視化された。
• 本シミュレーションフレームワークは、現実的な人体モデル内をフルウェーブ非線形伝播物理に基づいて直接生成した初の3次元超音波画像を成功裏に得ており、画像劣化メカニズムの詳細な研究を可能にした。