[논문 리뷰] A numerical model for the study of photoacoustic imaging of brain tumours

Kamyar Firouzi, Nader Saffari|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 21.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 뇌 종양의 광음향 영상에 대한 3차원 수치 모델을 제시한다. 이 모델은 MRI 기반 뇌 필름, 유한요소 광전달, 그리고 이질적이고 감쇠 성질을 띤 조직(뇌척추 포함)에서 음파 전파를 위한 k-space 방법을 통합한다. 모델은 종양의 구조를 정확하게 재구성하며, 정상적인 재구성 수렴성과 임상 영상 연구에의 가능성을 성공적으로 시뮬레이션한다.

ABSTRACT

Photoacoustic imaging has shown great promise for medical imaging, where optical energy absorption by blood haemoglobin is used as the contrast mechanism. A numerical method was developed for the in-silico assessment of the photoacoustic image reconstruction of the brain. Image segmentation techniques were used to prepare a digital phantom from MR images. Light transport through brain tissue was modelled using a Finite Element approach. The resulting acoustic pressure was then estimated by pulsed photoacoustics considerations. The forward acoustic wave propagation was modelled by the linearized coupled first order wave equations and solved by an acoustic k-space method. Since skull bone is an elastic solid and strongly attenuates ultrasound (due to both scattering and absorption), a k-space method was developed for elastic media. To model scattering effects, a new approach was applied based on propagation in random media. In addition, absorption effects were incorporated using a power law. Finally, the acoustic pressure was reconstructed using the k-space time reversal technique. The simulations were ran in 3D to produce the photoacoustic tomogram of a brain tumour. The results demonstrate the convergence of the models, and their suitability for investigating the photoacoustic imaging process.

연구 동기 및 목표

• 실제 해부학적 환경에서 뇌 종양의 광음향 영상 시뮬레이션을 위한 종합적인 수치 프레임워크를 개발하기.
• 임상 환경에서 광음향 신호를 왜곡시키는 뇌척추 골에서의 초음파 감쇠 및 산산조각 나기 문제를 해결하기.
• 광음향 단층촬영을 이용한 뇌 종양의 영상 재구성 품질에 대한 시뮬레이션 기반 평가를 가능하게 하기.
• 헤모글로빈 흡수 및 뇌척추에 의한 신호 손실을 포함한 뇌 조직의 실제 광학적 및 음향적 특성을 통합하기.
• 모델의 수렴성과 향후 임상 광음향 영상 적용에 적합성을 검증하기.

제안 방법

• 뇌 조직 경계를 정의하기 위해 영상 분할 기법을 사용하여 MRI 영상에서 3차원 디지털 뇌 필름을 구축하였다.
• 복사 전달 방정식을 해결하기 위해 빛 전파를 유한요소법(FEM)을 사용하여 뇌 조직 내에서 모델링하였다.
• 펄스 레이저 자극을 통해 광음향파 생성을 시뮬레이션하였으며, 종양 및 정상 조직 간 헤모글로빈 농도 차이에 기반한 광흡수를 적용하였다.
• 시간 도메인에서의 파동 전파를 정확하게 모의하기 위해 k-space 가짜 스펙트럼 방법을 사용하여 선형화된 1차 파동 방정식을 해결하였다.
• 탄성파 전파를 위한 k-space 방법을 확장하여 뇌척추에서의 산산조각 나기 및 감쇠 효과를 고려하였다.
• 주파수 의존 감쇠를 모의하기 위해 거듭제곱 법칙 모델을 사용하여 실제 초음파 신호 열화를 반영하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적인 뇌 필름(뇌척추 포함)에서 수치 모델이 광음향파 생성 및 전파를 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 뇌척추에 의한 초음파 감쇠 및 산산조각 나기가 광음향 영상 재구성 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 k-space 방법이 탄성 매질을 고려하여 뇌척추에서의 탄성파 전파를 효과적으로 모의할 수 있는가?
• RQ4 종양과 정상 뇌 조직 간의 광흡수 대비가 시뮬레이션된 광음향 영상에서 종양의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 수치 프레임워크는 뇌 종양 영상의 3차원 시뮬레이션에서 수렴성과 안정성을 보여주는가?

주요 결과

• 수치 모델은 실제 조직 이질성과 함께 3차원 뇌 필름에서 광음향파 생성 및 전파를 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 특히 감쇠 및 산산조각 나기 효과를 포함한 뇌척추 영향이 광음향 신호를著しく 악화시켜 영상 해상도와 대trast에 영향을 미친다.
• 탄성 매질을 위한 수정된 k-space 방법은 뇌척추를 통과하는 음파 전파를 정확하게 시뮬레이션할 수 있었다.
• 주파수 의존 감쇠를 위한 거듭제곱 법칙 모델은 뇌척추에서의 초음파 신호 손실을 효과적으로 포착하여 시뮬레이션의 현실성 향상에 기여하였다.
• 시간 역전 기법을 통해 뇌 종양의 광음향 영상 재구성이 성공적으로 수행되었으며, 이는 접근법의 수렴성과 실현 가능성을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과는 모델이 통제된 시뮬레이션 환경에서 뇌 종양의 광음향 영상 연구에 적합함을 확인하였다.