[論文レビュー] Ultrasound Matrix Imaging-Part I: The focused reflection matrix, the F-factor and the role of multiple scattering

William Lambert, Robin, Justine+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、焦点化反射行列を分析することで、超音波画像法における歪みを定量化および補正するための新しい行列ベースのアプローチとして、超音波マトリックス画像法（UMI）を導入する。時間周波数解析を用い、単一散乱、多重散乱、ノイズ成分を分離することで、多重散乱およびノイズに対して強い耐性を示す、従来のコherence係数を凌駆する堅牢なF係数指標を実現し、模擬的および生体下腿画像において、高解像度の焦点合わせ品質マップを提供する。

ABSTRACT

This is the first article in a series of two dealing with a matrix approach for aberration quantification and correction in ultrasound imaging. Advanced synthetic beamforming relies on a double focusing operation at transmission and reception on each point of the medium. Ultrasound matrix imaging (UMI) consists in decoupling the location of these transmitted and received focal spots. The response between those virtual transducers form the so-called focused reflection matrix that actually contains much more information than a confocal ultrasound image. In this paper, a time-frequency analysis of this matrix is performed, which highlights the single and multiple scattering contributions as well as the impact of aberrations in the monochromatic and broadband regimes. Interestingly, this analysis enables the measurement of the incoherent input-output point spread function at any pixel of this image. A fitting process enables the quantification of the single scattering, multiple scattering and noise components in the image. From the single scattering contribution, a focusing criterion is defined, and its evolution used to quantify the amount of aberration throughout the ultrasound image. In contrast to the state-of-the-art coherence factor, this new indicator is robust to multiple scattering and electronic noise, thereby providing a contrasted map of the focusing quality at a much better transverse resolution. After a validation of the proof-of-concept based on time-domain simulations, UMI is applied to the in-vivo study of a human calf. Beyond this specific example, UMI opens a new route for speed-of-sound and scattering quantification in ultrasound imaging.

研究の動機と目的

• 異質な柔ららか組織における音速の変動および歪みが引き起こす従来の超音波画像法の限界を解消すること。
• 多重散乱および電子的ノイズに対して感受性の低い、焦点合わせ品質を評価する堅牢な指標を開発すること。
• 超音波データの行列ベースのアプローチを用いて、歪みの高解像度・定量的マップ化を可能にすること。
• 時間領域のシミュレーションおよび生体下腿画像を用いた実験的妥当性の検証。
• 将来の超音波速度および散乱の定量的評価の基盤を提供すること。

提案手法

• 送信および受信の焦点位置を分離することで、焦点化反射マトリックスを構築し、媒質応答の完全な空間サンプリングを可能にする。
• 時間周波数解析を適用し、マトリックスを単一散乱、多重散乱、ノイズ成分に分解する。
• F係数を、単一散乱成分に基づく焦点合わせ品質指標として定義し、適合プロセスを用いてコherent信号寄与を分離する。
• F係数を用いて、コherence係数に代わるコントラストが高く、高横方向解像度の焦点合わせ品質マップを生成する。
• 時間領域のシミュレーションを用いた検証および、人間の下腿からの生体超音波データに応用し、臨床的妥当性を示した。
• 波動伝搬および散乱をモデル化するためのマトリックス形式を採用し、単一周波数およびバンド幅広域の両領域において歪み効果の定量的分析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 行列ベースのアプローチは、従来のビームフォーミングを凌駕する超音波画像法における歪み定量化をどのように改善できるか？
• RQ2 多重散乱および電子的ノイズは、コherence係数のような既存の焦点合わせ品質指標の正確性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 焦点化反射マトリックスの単一散乱成分から導出される新しい指標は、より堅牢で高解像度の焦点合わせ品質評価を可能にするか？
• RQ4 多重散乱およびノイズが存在する状況で、F係数はコherence係数をどの程度凌駆するか？
• RQ5 この手法は、柔ららか組織における超音波速度および散乱の定量的特徴付けを可能にするか？

主な発見

• 焦点化反射マトリックスの単一散乱成分から導出されたF係数は、多重散乱およびノイズに対して感受性が低く、焦点合わせ品質の堅牢で正確な測定を可能にする。
• F係数は、空間解像度およびコントラストの両面でコherence係数を著しく上回る、高横方向解像度の焦点合わせ品質マップを生成可能である。
• 時間周波数解析により、焦点化反射マトリックス内における単一散乱、多重散乱、ノイズ寄与の分離および定量が成功した。
• シミュレーションでは、F係数が異なる音速分布における歪みレベルを正確に追跡でき、波面歪みに感受性があることを示した。
• 人間の下腿における生体応用では、F係数マップが組織の不均一性に一致する空間的に変化する歪みパターンを明らかにした。これにより、臨床的妥当性が検証された。
• 本手法により、各ピクセルにおける非コherent入出力ポイントスプレッド関数の測定が可能となり、画像劣化メカニズムに関する新たな知見が得られた。