[논문 리뷰] Estimating Phase Aberration from Noisy Radiofrequency Data of a single frame of Synthetic Aperture Ultrasound Image

Dena Monjazebi, Yuan Xu|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 21.

Ultrasound Imaging and Elastography참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 프레임의 합성 전송 아포어처(Synthetic Transmit Aperture, STA) 초음파 영상에서 저신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)의 방사선 주파수(Radiofrequency, RF) 데이터로부터 단계 비편향을 추정하기 위해 반복적 필터링이 적용된 정규화 상관관계(f-NCC) 방법을 제안한다. 2차원 아포어처-시간 필터링, 전송 및 수신 과정에서의 단계 비편향 모델링을 통한 반복적 지연 추정, 반복적 영역 확장에 의한 가장자리 효과 보정을 통해, 조잡한 스펙클 영역에서도 정확도를 향상시켜 시뮬레이션과 실험 모두에서 이미지 대trast, 해상도, SNR 향상을 이룬다.

ABSTRACT

Phase aberration is one of the main contributors to image degradation in ultrasound imaging. Normalized-Cross-Correlation (NCC) is one of the most extensively studied techniques to estimate the arrival delay error and the aberration profile. extit{However, the performance of NCC can be compromised when the data have a poor signal-to-noise-ratio.} Here we propose an iterative filtered NCC (f-NCC) method to estimate phase aberration in speckle regions from the noisy radio-frequency data of a single frame of synthetic transmit aperture (STA) image. First, two-dimensional filters were applied in the aperture and temporal domains to suppress noise and off-axis signals in the transmit beamformed data from an arbitrary speckle region. Second, an iterative method that included the phase aberration in both the transmission and receiving process was used to estimate the phase aberration. Third, the estimation were improved by correcting the edge effect with an iterative zero-padding technique. Last, in the experimental study, we proposed and validated a formula to estimate the arrival time error caused by a sound speed error. The results from both the numerical simulations and experimental studies confirm that the proposed filtered NCC method can estimate the phase aberration profile correctly from noisy STA RF data in a speckle region. Image quality in terms of contrast, resolution and image signal-to-noise-ratio was improved. Potential applications of the proposed method to map local speed of samples are also discussed.

연구 동기 및 목표

• 비만 또는 유방 영상과 같이 신호 왜곡이 흔한 환경에서 저SNR 초음파 RF 데이터에서 정확하지 못한 단계 비편향 추정 문제를 해결하기 위해.
• 공간적 및 시간적 필터링을 아포어처 및 시간 도메인에 통합함으로써, 노이즈 조건에서 정규화 상관관계(Normalized Cross-Correlation, NCC)의 성능을 향상시키기 위해.
• 푸리에 변환에서 주기적 신호 가정으로 인해 발생하는 가장자리 효과를 반복적 영역 확장 기법을 통해 감소시키기 위해.
• 수치 시뮬레이션과 실험 데이터를 모두 활용하여 방법의 타당성을 검증하고, 노이즈가 많은 스펙클 영역에서도 안정성을 입증하기 위해.
• 소리의 속도 불일치로 인한 지연 오차에 대한 이론적 공식을 유도함으로써 정확한 국소 음속 맵핑을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 스펙클 영역의 아포어처에서 비침수된 RF 데이터의 노이즈와 비축방향 신호를 억제하기 위해 아포어처 및 시간 도메인에서 2차원 저역통과 필터를 적용한다.
• 전송 및 수신 과정에서 단계 비편향을 모델링하는 반복적 f-NCC 알고리즘을 구현하여 지연 추정을 정밀화한다.
• 푸리에 변환을 적용할 때 신호의 불연속성으로 인한 가장자리 효과를 줄이기 위해 반복적 영역 확장 기법을 사용한다.
• 추정된 단계 비편향 프로파일을 빔포밍 과정에 통합하여 파면 왜곡을 보상한다.
• 소리의 속도 불일치로 인한 지연 오차에 대한 이론적 공식을 유도하며, 직접적인 속도 오차와 초점 이동 효과를 모두 고려한다.
• 알려진 비편향 프로파일을 가진 시뮬레이션 데이터와 초음파 필름에서의 실험 데이터를 사용하여 방법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 f-NCC 방법은 단일 프레임 합성 전송 아포어처(Synthetic Transmit Aperture, STA) 초음파 영상에서 저SNR RF 데이터로부터 정확하게 단계 비편향을 추정할 수 있는가?
• RQ2 2차원 아포어처-시간 필터링은 노이즈가 많은 스펙클 영역에서 NCC 기반 지연 추정의 강건성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 반복적 영역 확장 기법은 단계 비편향 추정에서 가장자리 관련 아티팩트를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 제안된 방법은 저SNR 조건에서 대trast, 해상도, SNR 등의 이미지 품질 지표를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 유도된 이론적 공식은 초음파 영상에서 소리의 속도 불일치로 인한 지연 오차를 정확히 예측할 수 있는가?

주요 결과

• f-NCC 방법은 스펙클 영역의 노이즈가 많은 STA RF 데이터로부터 단계 비편향 프로파일을 성공적으로 추정하였으며, 저SNR 조건에서 기존 NCC보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 이미지 품질이 크게 향상되어, 비편향 보정 후 대trast, 횡방향 해상도, 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)가 향상되었다.
• 반복적 영역 확장 기법은 특히 첫 번째 및 마지막 10개의 초음파 원소에서 발생하는 가장자리 아티팩트를 효과적으로 감소시켰다.
• 이론적 분석을 통해 소리의 속도 불일치로 인한 총 지연 오차는 δtc(1 + cosθi)에 비례하며, 여기서 δtc는 속도 오차와 초점 이동 효과를 모두 반영한다.
• 이 방법은 2~3회 반복 내에 수렴함을 보여, 계산 효율성과 안정성을 입증하였다.
• 이 방법은 국소 음속 맵핑에 잠재적 응용을 가능하게 하여, 비만 환자와 같은 도전적인 영상 조건에서 임상적 적용 가능성을 열어준다.