[논문 리뷰] Quasi-Real Time Multi-Frequency 3D Shear Wave Absolute Vibro-Elastography (S-WAVE) System for Prostate

Tajwar Abrar Aleef, Julio Lobo외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 09.

Ultrasound Imaging and Elastography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전립선암 진단을 위한 비실시간, 3차원 다주파수 비틀림파 생체역학 측정 시스템을 제시한다. 전직경적 기계적 진동과 고주파수 초음파 데이터를 사용하며, 밴드패스 샘플링과 스페클 추적 기법을 적용하여 정확한 저프레임 속도의 조직 이동 추적과 절대 탄성도 측정이 가능하다. 조직 생검 연관 분석을 통해 외과적 제거 및 국소 치료 연구에서 주변부에서의 암 분류에 AUC 0.82 ± 0.01을 달성하였다.

ABSTRACT

This article describes a novel quasi-real time system for quantitative and volumetric measurement of tissue elasticity in the prostate. Tissue elasticity is computed by using a local frequency estimator to measure the three dimensional local wavelengths of a steady-state shear wave within the prostate gland. The shear wave is created using a mechanical voice coil shaker which transmits multi-frequency vibrations transperineally. Radio frequency data is streamed directly from a BK Medical 8848 trans-rectal ultrasound transducer to an external computer where tissue displacement due to the excitation is measured using a speckle tracking algorithm. Bandpass sampling is used that eliminates the need for an ultra fast frame rate to track the tissue motion and allows for accurate reconstruction at a sampling frequency that is below the Nyquist rate. A roll motor with computer control is used to rotate the sagittal array of the transducer and obtain the 3D data. Two CIRS phantoms were used to validate both the accuracy of the elasticity measurement as well as the functional feasibility of using the system for in vivo prostate imaging. The system has been used in two separate clinical studies as a method for cancer identification. The results, presented here, show numerical and visual correlations between our stiffness measurements and cancer likelihood as determined from pathology results. Initial published results using this system include an area under the receiver operating characteristic curve of 0.82+/-0.01 with regards to prostate cancer identification in the peripheral zone.

연구 동기 및 목표

• 암 검출을 향상시키기 위해 전립선 조직 경도 맵핑을 위한 비실시간, 3차원, 정량적 생체역학 측정 시스템을 개발하기 위해.
• 고강도 초음파 펄스로 인한 낮은 신호 대 잡음비 및 조직 가열 등의 문제를 해결하기 위해.
• 음향 코ils를 이용한 다주파수 안정 상태 기계적 진동을 통해 부피형 절대 탄성도 측정을 가능하게 하기 위해.
• 형광체 및 두 가지 임상 연구를 통한 조직 생검 연관 분석을 통해 시스템의 정확성과 실현 가능성을 검증하기 위해.
• 절대 탄성도 값이 전립선 주변부의 암성 병변을 식별하는 데 임상적으로 유용한가를 입증하기 위해.

제안 방법

• 기계적 음향 코일 진동기(voice coil shaker)를 이용해 전직경적 방식으로 다주파수 진동(75–80 Hz)을 가하여 전립선 내 안정 상태의 비틀림파를 유도한다.
• BK Medical 8848 직장경 초음파 프로브에서 유입되는 고주파수 초음파 데이터를 외부 컴퓨터로 스트리밍하여 처리한다.
• 스펙클 추적 기법을 사용하여 비틀림파 운동으로 인한 조직 이동을 마이크로미터 이하의 정밀도로 측정한다.
• 뉴이스트 기준 이하의 샘플링 속도에서도 고주파수 조직 운동을 재구성하기 위해 밴드패스 샘플링을 적용하여 초고속 프레임 레이트가 필요 없도록 한다.
• 컴퓨터 제어의 롤 모터를 사용해 초음파 프로브 어레이를 회전시켜 여러 경사면에서 3차원 부피 데이터를 확보한다.
• 지역적 비틀림파 파장과 지역 주파수 추정기 기반으로 조직 탄성을 계산하며, 다수의 주파수에서 평균을 내어 결과의 안정성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다주파수 안정 상태 비틀림파 생체역학 측정 시스템은 비실시간 프레임 레이트에서 전립선 내 정확한 3차원 절대 탄성도 측정이 가능한가?
• RQ2 밴드패스 샘플링은 초고속 프레임 레이트 초음파 시스템이 없이도 고주파수 조직 운동을 신뢰성 있게 추적할 수 있는가?
• RQ3 이 시스템에서 유도된 절대 탄성도 값은 조직 생검으로 확인된 전립선 암성 조직과 수치적·시각적으로 상관관계가 있는가?
• RQ4 임상 환경에서 시스템은 특히 주변부에서 암성 조직과 양성 조직을 구분하는 데 얼마나 잘 기능하는가?
• RQ5 거짓 양성 탄성도 상승의 원인 및 측정 불일치 요인은 무엇이며, 석회화나 부종과 같은 생물학적 요인이 결과에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 다양한 매개변수(탄성도 및 페이저 데이터 조합)를 사용한 다중 매개변수 분류기로 전립선 주변부에서의 암 분류에 대해 수신기 작동 특성 곡선 아래 면적(AUC)이 0.82 ± 0.01을 달성하였다.
• 수술적 제거 및 국소 치료 연구에서 절대 탄성도 맵상에서 경도가 높은 영역과 조직 생검으로 확인된 암성 조직 간에 강한 수치적 및 시각적 상관관계를 관찰하였다.
• 형광체 검증 결과, 시스템의 탄성도 측정치가 자기공명 생체역학 측정(MRE)으로 얻은 값과 양호한 일치를 보였다.
• 밴드패스 샘플링의 적용으로 뉴이스트 기준 이하의 프레임 레이트에서도 고주파수 조직 운동을 정확하게 재구성할 수 있었으며, 하드웨어 및 계산 자원 요구량을 감소시켰다.
• 일부 영역에서 거짓 양성 탄성도 상승이 관찰되었으며, 이는 석회화나 부종과 같은 아티팩트로 인한 것으로 보이며, 점탄성 및 파tern 패턴 영향을 보다 정밀하게 모델링할 필요가 있음을 시사한다.
• 이 시스템은 조직 가열에 대한 FDA 기준을 초과하지 않으면서도 살아있는 생체 내에서 3차원 부피 생체역학 측정이 가능함을 입증하였다.