[논문 리뷰] An open-source software platform for translational photoacoustic research and its application to motion-corrected blood oxygenation estimation

Thomas Kirchner, Janek Gröhl외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 28.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 임상 선형 초음파 프로브와 조절 가능한 레이저를 직접 제어할 수 있도록 설계된 오픈소스 실시간 다스펙트르 광음향-초음파(PAUS) 영상 플랫폼을 제시한다. 이 플랫폼은 MITK 소프트웨어 프레임워크 기반으로 구축되었으며, 박동하는 동맥에서의 혈액 산소포화도(sO₂) 추정을 향상시키기 위해 초음파 B모드 영상 기반의 광흐름 기반 운동 보정 기능을 통합하였다. 이로 인해 측정 변동성이 감소하고 carotid 동맥 영상에서 동맥-靜맥 구분이 정확해졌으며, 보정 후 sO₂ 추정치의 사분위율 범위(IQR)가 각각 25%와 19% 감소하였다.

ABSTRACT

Photoacoustic (PA) imaging systems based on clinical linear ultrasound arrays have become increasingly popular in translational PA research. Such systems can be more easily integrated in a clinical workflow due to the simultaneous access to ultrasonic imaging and their familiarity of use to clinicians. In contrast to more complex setups, hand held linear probes can be applied to a large variety of clinical use cases. However, most translational work with such scanners is based on proprietary development and as such not accessible to the community. In this contribution, we present a custom-built, hybrid, multispectral, real-time photoacoustic and ultrasonic imaging system with a linear array probe that is controlled by software developed within the Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK) a highly customizable and extendable open-source software platform. Our software offers direct control of both the laser and the ultrasonic system and may serve as a starting point for various translational research projects and developments. To demonstrate the applicability of the platform, we used it to implement a new method for blood oxygenation estimation in the presence of non-rigid inter-frame motion caused by pulsing arteries. Initial results from experiments with healthy human volunteers demonstrate the suitability of the method with the sample clinical application of imaging the common carotid artery as well as peripheral extremity vessels.

연구 동기 및 목표

• 임상 선형 초음파 프로브를 사용한 이식 가능한 광음향 연구를 위한 접근 가능하고 오픈소스 소프트웨어의 부족을 해결하기 위해.
• 임상 워크플로우에 원활하게 통합되는 실시간 하이브리드 광음향-초음파 영상 시스템을 개발하기 위해.
• 박동하는 동맥으로 인한 비탄성 프레임 간 운동 아티팩트로 인해 다스펙트르 PA 영상에서 혈액 산소포화도 추정에 영향을 미치는 문제를 완화하기 위해.
• 건강한 인간 자발자에서 운동 보정을 통한 sO₂ 추정의 가능성과 정확성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 빠른 주파수 조절이 가능한 광학 파라미터 오실레이터(OPO) 레이저와 128개 요소로 구성된 선형 초음파 트랜스듀서를 사용하며, 모두 MITK 오픈소스 플랫폼 내에서 개발된 커스텀 소프트웨어로 제어된다.
• 실시간 데이터 수집 및 처리는 MITK의 모듈식 아키텍처를 통해 관리되며, 제조사 제공 API와 커스텀 통신 레이어를 통해 직접 하드웨어 제어가 가능하다.
• 비탄성 운동 보정은 초음파 B모드 영상에 광흐름을 적용하여 순차적인 광음향 프레임을 정렬함으로써 박동하는 혈류로 인한 비탄성 운동을 보완한다.
• 다스펙트르 PA 데이터에 스펙트럼 분리 기법을 적용하여 국소 혈액 산소포화도(sO₂)를 추정하며, 운동 보정이 추정 일관성 향상에 기여한다.
• 이 방법은 파이썬으로 구현되었으며 실시간으로 작동하며, 단일 소비자용 CPU 코어에서 5개 이미지 시퀀스를 120ms 내로 처리한다.
• 이 플랫폼은 확장 가능하다: 새로운 레이저나 DAQ 시스템은 MITK 내의 하드웨어 추상화 레이어만 확장함으로써 통합할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MITK 기반 오픈소스 소프트웨어 플랫폼이 임상 선형 프로브를 사용한 실시간 하이브리드 광음향-초음파 영상 구현에 가능할 수 있는가?
• RQ2 초음파 B모드 영상 기반의 광흐름 기반 운동 보정이 박동하는 혈관에서의 다스펙트르 PA 영상에서 아티팩트를 얼마나 효과적으로 줄이는가?
• RQ3 운동 보정이 경동맥 및 말초 혈관에서 혈액 산소포화도(sO₂) 추정의 정밀도와 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 표준 소비자 하드웨어에서 운동 보정 파이프라인의 실시간 성능은 어떠한가?
• RQ5 운동 보정된 sO₂ 추정치는 건강한 인간 자발자에서 생리학적 기대치와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 운동 보정으로 동맥 혈액의 sO₂ 추정치 사분위율 범위(IQR)가 50%에서 25%로 감소하여 측정 정밀도가 크게 향상되었다.
• 靜맥 혈액에서는 sO₂ 추정치의 IQR이 보정 전 29%에서 보정 후 19%로 감소하여 변동성이 감소함을 나타냈다.
• 경동맥에서 평균 sO₂는 보정 전 59%에서 보정 후 63%로 상승했으며, 표준편차는 31%에서 17%로 감소했다.
• jugular 정맥에서는 보정 후 sO₂ 추정치가 약 38%로 안정되었으며, 표준편차는 15%였다.
• 광흐름 계산의 복잡성에도 불구하고, 운동 보정 방법은 단일 CPU 코어에서 5개 이미지 시퀀스를 120ms 내로 처리하여 실시간 기능을 입증했다.
• 이 플랫폼은 보정된 추정치가 생리학적 기대치와 더 가까이 맞아떨어지며 동맥과 정맥 혈액 산소포화도 수준을 정확히 구분할 수 있도록 했다.