[論文レビュー] Ultrasound imaging with three dimensional full-wave nonlinear acoustic simulations. Part 2: sources of image degradation in intercostal imaging

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

Microwave Imaging and Scattering Analysis参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、3次元フルウェーブ非線形超音波シミュレーションを用いて間接的画像の品質低下要因を調査し、肋骨が側面側 lobes の抑制を改善するビームアポダイゼーションの効果をもたらす一方で、複数回のリバーブクラッターを発生させ、画像品質を低下させることを明らかにした。最適な画像品質は、肋骨が解剖学的配置にある場合に得られ、アポダイゼーションの利点とリバーブのペナルティのバランスが取れている。肋骨を人工的に圧縮すると、リバーブが増加し、コントラスト対ノイズ比（CNR）が8%低下する。

ABSTRACT

Fullwave simulations are applied to an intercostal imaging scenario to determine the sources of fundamental and harmonic image degradation with respect to aberration and reverberation. These simulations are based on Part I of this two part paper, which established the Fullwave simulation methods to generate realistic ultrasound images based directly on the first principles of wave propagation in the human body. The ultasound images are generated based on the first principles of propagation and reflection and they describe interplay between distributed aberration and reverberation clutter. Three imaging scenarios that would not be realizable in vivo are investigated in silico. First, the ribs were completely removed and replaced with fat. Then, the ribs were maintained in their anatomically correct configuration to yield a reference image. Finally the ribs were placed closer together in elevation. The propagation based B-mode images show that of these three scenarios the second, anatomically correct configuration, has the best contrast-to-noise ratio. This is due to two competing effects. First the ribs effectively apodize the fundamental and harmonic beams by 3-5 dB. This effect alone would predict an improvement in image quality. However, the B-mode image quality, measured by the contrast-to-noise ratio degrades by 8%. To explain these changes, it is shown that a second effect, multiple reverberation, must be taken into account. A point spread function analysis shows that when the ribs are placed closer together they generate significantly more reverberation clutter (by 2.4 to 2.9 dB), degrading the image quality even though the beamplot has lower sidelobes. In this intercostal imaging scenario the effects of the ribs on beam shape and reverberation are therefore in competition in terms of image quality and there is an optimal acoustic window that balances them out.

研究の動機と目的

• 間接的超音波イメージングにおける画像品質低下の主な要因、特に波面歪みとリバーブを特定すること。
• 生体では実現できないインシリコシミュレーションを用いて、肋骨構造のビーム形成およびリバーブへの影響を分離して評価すること。
• 特に、肋骨の配置、特に間隔が近くなる場合がコントラスト対ノイズ比（CNR）などの画像品質指標に与える影響を評価すること。
• ビームプロファイルだけでは画像品質を予測できないこと、複数回のリバーブが主要で、かつ軽視されがちな要因であることを示すこと。
• フルウェーブシミュレーションプラットフォームが、複雑で不均一な解剖的環境における定量的画像品質分析のツールとして有効であることを検証すること。

提案手法

• 3次元フルウェーブシミュレーションを用い、不均一媒質における波動伝播の第一原理に基づいて、間接的窓における超音波イメージングをモデル化した。
• 可視ヒューマン女性被検体データセットからの解剖学的データを用い、胸郭のリアルな3次元音響マップを生成した。
• 3つのイメージングシナリオをシミュレーションした：肋骨を除去して脂肪に置換した場合、解剖学的配置の肋骨、および縦方向に人工的に圧縮した肋骨。
• ポイントスプレッド関数（PSF）を計算し、他の画像品質低下要因とは分離してリバーブクラッターを特定・定量化した。
• Bモード画像におけるコントラスト対ノイズ比（CNR）を測定し、3つのシナリオ間での画像品質を評価した。
• ビームプロットとPSF解析を用いて、波面歪み、アポダイゼーション、複数回リバーブが画像品質に与える影響を解体した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 肋骨に起因する波面歪みと複数回リバーブの、間接的超音波イメージングにおける画像品質低下への相対的寄与度は？
• RQ2 肋骨の配置、特に間隔が近くなる場合が、ビーム形状およびコントラスト対ノイズ比（CNR）などの画像品質指標に与える影響は？
• RQ3 肋骨によるビームアポダイゼーションが、追加のリバーブクラッターを引き起こすにもかかわらず、画像品質を向上させ得るか？
• RQ4 肋骨を近づけると、サイドローブ抑制が改善されているにもかかわらず、なぜ画像品質が劣化するのか？
• RQ5 ビームプロファイルと波面歪みだけでは、画像品質をどれほど正確に予測できるか。あるいは、リバーブが主要かつ無視されがちな要因であるか？

主な発見

• 解剖学的配置の肋骨が、3–5 dBのアポダイゼーションを引き起こすにもかかわらず、最高のコントラスト対ノイズ比（CNR）を達成し、画像品質の向上が確認された。
• 肋骨を除去して脂肪に置換した場合、ビーム形状の改善にもかかわらず、アポダイゼーションの喪失により、解剖学的状態と比較してCNRが8%低下した。
• 肋骨を数ミリ人工的に圧縮した場合、サイドローブ抑制は向上したが、リバーブクラッターは2.4–2.9 dB増加し、全体のCNRが低下した。
• PSFを用いたリバーブクラッターの定量的評価では、基本周波数において、解剖学的肋骨では-35.4 dBから、圧縮肋骨では-32.7 dBに上昇した。
• 2次高調波においては、解剖学的状態で-51.2 dB、圧縮状態で-48.9 dBに上昇し、肋骨が近づくと複数回リバーブが画像品質低下の主因であることが確認された。
• 本研究では、ビームプロファイルや波面歪みだけでは画像品質を予測できないことが示され、複数回リバーブが間接的イメージングにおいて重要な、かつしばしば軽視されがちな要因であることが明らかになった。