[논문 리뷰] Sparse Doppler Sensing.

Regev Cohen, Yonina C. Eldar|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 02.

Advanced MRI Techniques and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 복원을 위해 최소한의 전송으로 완벽한 스펙트럼 복원이 가능하면서도 스펙트럼 도플러 초음파에서 도플러 펄스 방출을 줄이는 비균일한 슬로우타임 전송 방식을 제안한다. 이는 B모드 영상 촬영을 위한 촬영 시간을 확보함으로써 고화상률 듀얼 모드 영상 촬영을 실현하며, FFT 기반 및 연속적인 오프그리드 복원 기법을 사용한다.

ABSTRACT

Spectral Doppler ultrasound imaging allows visualizing blood flow by estimating its velocity distribution over time. Duplex ultrasound is a modality in which an ultrasound system is used for displaying simultaneously both B-mode images and spectral Doppler data. In B-mode imaging short wide-band pulses are used to achieve sufficient spatial resolution in the images. In contrast, for Doppler imaging, narrow-band pulses are preferred in order to attain increased spectral resolution. Thus, the acquisition time must be shared between the two sequences. In this work, we propose a non-uniform slow-time transmission scheme for spectral Doppler, based on nested arrays, which reduces the number of pulses needed for accurate spectrum recovery. We derive the minimal number of Doppler emissions needed, using this approach, for perfect reconstruction of the blood spectrum in a noise-free environment. Next, we provide two spectrum recovery techniques which achieve this minimal number. The first method performs efficient recovery based on the fast Fourier transform. The second allows for continuous recovery of the Doppler frequencies, thus avoiding off-grid error leakage, at the expense of increased complexity. The performance of the techniques is evaluated using realistic Field II simulations as well as in vivo measurements, producing accurate spectrograms of the blood velocities using a significant reduced number of transmissions. The time gained, where no Doppler pulses are sent, can be used to enable the display of both blood velocities and high quality B-mode images at a high frame rate.

연구 동기 및 목표

• 듀얼 모드 초음파에서 B모드와 스펙트럼 도플러 영상 간의 상충 관계를 해결하기 위해 도플러 펄스 전송 수를 줄인다.
• 노이즈가 없는 환경에서 완벽한 스펙트럼 복원을 위해 필요한 도플러 방출 수를 최소화한다.
• 도플러 펄스에 의해 할당된 시간을 줄여 촬영 시간을 확보함으로써 고화상률 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 정확한 속도 추정을 위해 이론적으로 필요한 최소 전송 수를 달성하는 스펙트럼 복원 기법을 개발한다.
• 현실적인 Field II 시뮬레이션과 생체 내 측정을 통해 성능을 평가하여 임상 적용 가능성을 검증한다.

제안 방법

• 비균일한 슬로우타임 전송 방식을 중첩 배열 기하학에 기반해 제안하여 도플러 신호의 희박한 샘플링을 달성한다.
• 노이즈가 없는 조건에서 완벽한 스펙트럼 복원을 위해 필요한 도플러 방출 수의 이론적 최소값을 유도한다.
• 최소한의 비균일 펄스로부터 효율적으로 도플러 스펙트럼을 복원할 수 있는 FFT 기반 스펙트럼 복원 방법을 구현한다.
• 도플러 주파수를 연속 변수로 모델링하여 오프그리드 오차 누설을 방지하는 연속적 복원 기법을 도입하며, 이는 정확도 향상에 기여하지만 계산 복잡도가 증가한다.
• 도플러 펄스 전송 수를 줄여 확보한 시간을 B모드 영상 촬영에 할당하여 고화상률 동시 영상 촬영을 실현한다.
• Field II 시뮬레이션과 생체 내 초음파 데이터를 사용하여 접근법을 검증하여 스펙트럼 정확도 및 영상 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노이즈가 없는 환경에서 혈류 속도 스펙트럼의 완벽한 복원을 위해 필요한 최소 도플러 펄스 수는 얼마인가?
• RQ2 중첩 배열 기반의 비균일 전송 방식이 이 최소 전송 수를 달성하면서도 스펙트럼 해상도를 유지할 수 있는가?
• RQ3 제안된 FFT 기반 및 연속적 복원 기법은 정확도와 계산 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 도플러 펄스 전송 수를 줄여 확보한 시간이 듀얼 모드에서 B모드 영상의 화상률 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 제안된 방법이 현실적이고 생체 내 초음파 환경에서도 정확한 스펙트로그램을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 중첩 배열 기반의 비균일한 슬로우타임 전송 방식은 노이즈가 없는 조건에서 이론적으로 필요한 최소 펄스 수로 완벽한 도플러 스펙트럼 복원을 달성한다.
• FFT 기반 복원 방법은 최소한의 전송 수로 효율적인 스펙트럼 복원을 가능하게 하여 계산 실행 가능성 확보한다.
• 연속적 복원 기법은 도플러 주파수를 연속 변수로 모델링하여 오프그리드 오차 누설을 방지함으로써 스펙트럼 정확도를 향상시키지만, 계산 복잡도가 증가한다.
• Field II 시뮬레이션과 생체 내 측정 결과는 기존 방법보다 훨씬 적은 도플러 전송 수로 혈류 속도의 정확한 스펙트로그램을 도출함을 보여준다.
• 도플러 펄스 전송 수를 줄여 확보한 시간 덕분에 고화상률 B모드 영상 촬영이 가능해져 동시에 고품질의 B모드 및 도플러 영상 시각화가 가능하다.
• 도플러 펄스에 할당된 시간을 재할당하여 B모드 촬영에 할애함으로써 고화상률 듀얼 모드 영상 촬영을 실현하며, 임상 영상 성능을 향상시킨다.