[논문 리뷰] Speed-of-sound compensated photoacoustic tomography for high resolution imaging

Jithin Jose, René G. H. Willemink외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 06.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 20인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 이질성 있는 조직에서 발생하는 음향 굴절 효과를 고려하여 해상도를 향상시키기 위해 음속(SOS) 보정을 적용한 광음향 단층촬영 방법을 제안한다. Eikonal 방정식과 고속 이동 방법(HAFMM)을 사용한 반복 재구성 기반으로, 먼저 초음파 투과 단층촬영을 통해 2D SOS 분포를 복원하고, 이를 바탕으로 잡음이 없고 고해상도의 PA 영상을 재구성한다. 이로 인해 실험적 펌프에서의 흐림과 오차가 크게 감소한다.

ABSTRACT

In most photoacoustic (PA) measurements, variations in speed-of-sound (SOS) of the subject are neglected under the assumption of acoustic homogeneity. Biological tissue with spatially heterogeneous SOS cannot be accurately reconstructed under this assumption. We present experimental and image reconstruction methods with which 2-D SOS distributions can be accurately acquired and reconstructed, and with which the SOS map can be used subsequently to reconstruct highly accurate PA tomograms. We begin with a 2-D iterative reconstruction approach in an ultrasound transmission tomography (UTT) setting, which uses ray refracted paths instead of straight ray paths to recover accurate SOS images of the subject. Subsequently, we use the SOS distribution in a new 2-D iterative approach, where refraction of rays originating from PA sources are accounted for in accurately retrieving the distribution of these sources. Both the SOS reconstruction and SOS-compensated PA reconstruction methods utilize the Eikonal equation to model acoustic wavefront propagation, which is solved using a high accuracy fast marching method (HAFMM). We validate the new reconstruction algorithms using numerical phantoms. For experiments we use the PER-PACT method which can be used to simultaneously acquire SOS and PA data from subjects. We test the reconstruction algorithms using experimental data acquired with the PER-PACT setup from challenging physical phantoms. The results show that it is important to take SOS inhomogeneities into account. The iterative reconstruction algorithms, that model acoustic refractive effects, yield artifact-free highly accurate images. Our approach of using the hybrid measurement method and the new reconstruction algorithms, is successful in substantially improving the quality of PA images with a minimization of blurring and artefacts.

연구 동기 및 목표

• 생체 조직 내 음속(SOS)의 이질성으로 인한 광음향 단층촬영에서의 영상 열화 문제를 해결한다.
• 공간적으로 변화하는 음향 특성을 가진 생체 조직에서 2D SOS 분포를 정확하게 재구성하는 방법을 개발한다.
• 재구성된 SOS 지ap을 활용하여 광음향 영상 재구성 정확도를 향상시키고 레이 굴절을 고려한다.
• 수치적 펌프와 PER-PACT 시스템에서의 실험 데이터를 사용하여 제안된 방법을 검증한다.
• 직선 레이 대신 굴절된 레이 경로를 사용하여 음파front의 전파를 모델링함으로써 PA 영상의 흐림과 잡음을 최소화한다.

제안 방법

• 직선 레이 대신 굴절된 레이 경로를 사용하여 초음파 투과 단층촬영(UTT) 환경에서 반복 재구성 접근법을 적용해 2D SOS 분포를 복원한다.
• 고정밀 고속 이동 방법(HAFMM)을 사용해 Eikonal 방정식을 해결함으로써 수치적 안정성과 정밀도를 향상시킨다.
• 재구성된 SOS 지도를 두 번째 반복 광음향 재구성 과정의 입력으로 사용하여 광음향 소스에서 발생하는 레이 굴절을 고려한다.
• PER-PACT 시스템을 사용해 SOS와 PA 데이터를 동시에 측정함으로써 음향 및 광음향 신호의 하이브리드 측정을 가능하게 한다.
• Eikonal 방정식 기반의 레이 추적을 통해 이질성 매질을 통과하는 음파의 실제 경로를 모델링하여 재구성 정밀도를 향상시킨다.
• 파면 모델링을 통해 물리적 일관성을 강제하는 공동 역전치 프레임워크를 사용해 SOS 및 PA 소스 분포를 반복적으로 개선한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 굴절된 레이 경로를 사용한 초음파 투과 단층촬영을 통해 이질성 있는 생체 조직에서 정확한 2D 음속(SOS) 분포를 재구성할 수 있는가?
• RQ2 광음향 재구성에서 음향 굴절을 고려할 경우, 일정한 음속을 가정하는 것과 비교해 영상 품질은 어떻게 향상되는가?
• RQ3 Eikonal 방정식과 HAFMM의 사용이 PA 영상에서 파면 전파 모델링의 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 하이브리드 PER-PACT 시스템은 SOS 보정 재구성에 필수적인 SOS 및 PA 데이터의 동시에 측정를 가능하게 하는가?
• RQ5 SOS 이질성이 기존의 PA 단층촬영에서 영상 흐림과 잡성에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 효과적으로 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 SOS 재구성 방법은 굴절된 레이 경로와 Eikonal 방정식 기반 모델링을 사용해 이질성 있는 펌프에서 2D 음속 분포를 성공적으로 복원하였다.
• SOS 보정 광음향 재구성 방법을 사용할 경우, 일정한 음속을 가정하는 기존 방법과 비교해 흐림과 잡성을 크게 감소시켰다.
• 굴절된 레이 경로 모델링을 통한 반복 재구성은 수치적 펌프와 PER-PACT 시스템에서의 실험 데이터 모두에서 잡음이 없는 영상을 제공하였다.
• 고정밀 고속 이동 방법(HAFMM)은 Eikonal 방정식의 정확한 해를 도출할 수 있게 하여 이질성 매질에서 복잡한 파면 전파를 모델링하는 데 핵심적인 역할을 하였다.
• 실험 결과는 SOS 이질성이 영상 품질에 상당한 영향을 미치며, 이를 보정할 경우 해상도와 정확도 향상이 명확하게 관찰됨을 보여주었다.
• PER-PACT를 사용한 하이브리드 측정 접근법은 신뢰할 수 있는 동시에 SOS 및 PA 데이터를 확보할 수 있었으며, 이는 제안된 재구성 프레임워크의 핵심 기반 요소로 작용하였다.