[논문 리뷰] Technical Considerations when using Verasonics Research Ultrasound Platform for Developing a Photoacoustic Imaging System

Karl Kratkiewicz, Rayyan Manwar외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 13.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 90인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 임상적 적용 가능성을 고려한 선형 어레이 기반 광음향 영상( PAI) 시스템을 개발하기 위한 종합적인 기술 가이드를 제공한다. Verasonics Vantage 128 연구용 초음파 플랫폼을 기반으로 하며, 신호 순차 제어, 하드웨어 통합, 증폭 및 데이터 처리 프로토콜에 대해 상세히 기술한다. 연구자들이 사용할 수 있도록 단계별 실행 프레임워크를 제공하며, 시스템의 한계점과 실용적 고려사항도 제시한다.

ABSTRACT

Photoacoustic imaging (PAI) is an emerging functional and molecular imaging technology that has attracted much attention in the past decade. Recently, many researchers have used the Vantage Verasonics research system for simultaneous ultrasound (US) and photoacoustic (PA) imaging. This was the motivation to write on the details of US/PA imaging system implementation and characterization using Verasonics platform. We describe the subtle details of US/PA imaging system setup, study the performance parameters of the system, and explain sequencing of the US/PA signal generation and signal amplification as well as the details required for efficient use of the hardware of the system and data processing protocols. We focused on linear-array based PAI due to its popularity and simple setup, as well as its high potential for clinical translatability. We have shown the sequencing of the US/PA signal generation, signal amplification, and related data processing protocols. A step-by-step guideline to develop and characterize PAI system using Vantage 128 has been presented. Some of the limitations of the vantage system are also listed. Photoacoustic imaging is a complement to the already established US imaging technique and may significantly increase its scope of application in diagnostic imaging and therapeutic monitoring. Combining with commercial medical US systems, the development of PAI can be accelerated by taking advantage of US image reconstruction and processing. With the information we presented in the body of this review and the four appendices, we described most of the experimental considerations one should know when working with the Vantage system for PAI tests.

연구 동기 및 목표

• Verasonics Vantage 초음파 플랫폼을 사용한 광음향 영상(PAI)의 표준화되고 실용적인 구현에 대한 증가하는 필요를 해결하기 위해.
• 기존 초음파 시스템과 PAI를 통합하는 데 있어 도전 과제를 해결하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어 설정 방법을 상세히 기술하기 위해.
• Vantage 128 플랫폼에서 선형 어레이 기반 PAI 시스템을 설정, 캘리브레이션 및 특성 분석하는 체계적이고 단계적인 프로토콜을 제공하기 위해.
• Vantage 시스템을 PAI에 사용할 때 발생하는 핵심 한계점을 특정하고 문서화하여 실험 설계 시 정보 기반 결정을 가능하게 하기 위해.
• 상용 시스템에 내장된 기존 초음파 영상 복원 및 처리 파이프라인을 활용하여 PAI 개발 속도를 가속화하기 위해.

제안 방법

• 동시 초음파 및 광음향 신호 측정을 위해 핵심 하드웨어 플랫폼으로 Vantage 128 연구용 초음파 플랫폼을 활용하였다.
• 레이저 자극(광음향) 및 초음파 송수신 사이클을 동기화하는 신호 순차 제어를 설계하고 구현하였다.
• 組織 흡수에 의한 저신호, 고대역폭 초음파 파동을 고려하여 광음향 신호의 증폭 체인을 최적화하였다.
• 원시 RF 데이터에서 광음향 영상을 추출하고 복원하기 위한 데이터 처리 프로토콜을 개발하였으며, 표준 초음파 복원 알고리즘과 통합하였다.
• 신호 대 잡음비(SNR) 측정, 시간 동기화 점검 및 공간 해상도 평가를 통해 시스템 특성 분석을 수행하였다.
• 재현 가능성을 확보하기 위해 하드웨어 설정도면, 소프트웨어 설정 스크립트 및 캘리브레이션 절차를 포함한 상세한 부록을 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Verasonics Vantage 128 플랫폼은 어떻게 구성되어야 초음파 및 광음향 영상의 동시에 측정이 가능할 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 초음파/광음향 시스템에서 레이저 자극을 초음파 신호 측정과 동기화하기 위한 핵심 기술적 고려사항은 무엇인가?
• RQ3 저신호 광음향 신호의 무결성을 유지하기 위해 필요한 신호 증폭 및 조건화 전략은 무엇인가?
• RQ4 기존 초음파 영상 복원 및 처리 파이프라인은 광음향 영상 생성에 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ5 광음향 영상 응용에 사용할 때 Vantage 시스템의 내재된 하드웨어 및 소프트웨어 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 적절한 커스터마이징된 신호 순차 제어를 통해 Vantage 128 플랫폼은 초음파 및 광음향 신호의 신뢰성 있고 동기화된 측정을 가능하게 한다.
• 광음향 신호 무결성을 유지하기 위해 적절한 신호 증폭 및 특성 임피던스 매칭이 필수적이며, 특히 약한 고주파 초음파 파동의 경우 더욱 중요하다.
• 시스템 특성 분석 결과, SNR와 시간 지연 잡음이 영상 품질에 큰 영향을 미치며, 시간 동기화가 핵심 요소임을 확인하였다.
• 표준 초음파 복원 알고리즘을 광음향 데이터와 통합함으로써 신속한 영상 생성이 가능해지고 시스템 개발 속도가 가속화된다.
• 한계점으로는 레이저 펄스 제어의 제한, 광음향 신호의 동적 범위 제한, 모든 채널에서 완전한 동기화를 달성하기 어려운 점 등이 있다.
• 제공된 단계별 프로토콜과 부록 덕분에 Vantage 플랫폼에서 선형 어레이 기반 PAI 시스템의 재현 가능한 설정 및 캘리브레이션을 수행할 수 있다.