[논문 리뷰] The SVD Beamformer: Physical Principles and Application to Ultrafast Adaptive Ultrasound

Hanna Bendjador, Thomas Deffieux외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 13.

Ultrasound Imaging and Elastography참고 문헌 38인용 수 61

한 줄 요약

본 논문은 다중 plane wave 전송으로부터의 backscattered data를 이용해 SVD 기반의 aberration 보정 및 초고속 초음파의 adaptive beamforming을 제안하며, 이질 매질에서 실시간 적응 영상화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

A shift of paradigm is currently underway in biomedical ultrasound thanks to plane and diverging waves for ultrafast imaging. One remaining challenge consists in the correction of phase and amplitude aberrations induced during propagation through complex layers. Unlike conventional line-per-line imaging, ultrafast ultrasound provides for each transmission, backscattering information from the whole imaged area. Here, we take benefit from this feature and propose an efficient approach to perform fast aberration correction based on the Singular Value Decomposition of an ultrafast compound matrix built from backscattered data for several plane wave transmissions. First, we explain the physical signification of SVD and associated singular vectors within the ultrafast matrix formalism. We theoretically demonstrate that the spatial and angular variables separation, rendered by SVD on ultrafast data, provides an elegant and straightforward way to optimize angular coherence of backscattered data. In heterogeneous media with an aberrating phase screen approximation, we demonstrate that the first spatial and angular singular vectors retrieve on one side the non-aberrated image, and on the other, the phase and amplitude of the aberration law. In vitro results prove the efficiency of the image correction, but also the accuracy of the aberrator determination. Based on spatial and angular coherence, we introduce a complete methodology for adaptive beamforming of ultrafast data, performed on successive isoplanatism patches undergoing SVD beamforming. The simplicity of this method paves the way to real-time adaptive ultrafast ultrasound imaging and provides a theoretical framework for future quantitative ultrasound applications.

연구 동기 및 목표

• 초고속 평면/발산 파 영상 촬영으로의 전환을 동기화하고 빠른 영상화를 위한 잔류 위상/진폭 aberration를 식별한다.
• 합성된 초고속 데이터 행렬에서 SVD를 사용해 aberration를 보정하는 데이터 기반 방법을 개발한다.
• 초고속 행렬 형식에서 특이 벡터의 물리적 의미와 이를 코히어런스 최적화에서의 역할을 설명한다.
• SVD를 기반으로 한 isoplanatism 패치에서 실시간 영상을 가능하게 하는 실용적 adaptive beamforming 워크플로우를 제안한다.

제안 방법

• 여러 평면파 전송에 걸친 역산 정보로부터 초고속 합성 데이터 행렬을 구성한다.
• 특이값 분해를 적용해 공간적 정보와 각도 정보를 분리한다.
• 1번째 공간적/각도 특이 벡터를 비 aberrated 이미지와 aberration 법칙과 이론적으로 연결한다.
• SVD 기반 보정이 이미지를 개선하고 aberrator를 정확하게 회수함을 in vitro로 입증한다.
• 연속되는 isoplanatism 패치에서 SVD를 이용한 coherence 원리에 기반한 완전한 adaptive beamforming 파이프라인을 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 역산(backscattered) 데이터의 SVD가 공간적 및 각도적 성분을 어떻게 분리해 aberrations를 보정하는가?
• RQ2 1번째 공간적/각도 특이 벡터가 이질 매질에서 비 aberrated 이미지와 aberration 법칙을 회수하는가?
• RQ3 SVD 기반 adaptive beamforming 프레임워크가 위상 및 진폭 aberrations가 존재하는 초고속 초음파 영상을 개선하는가?
• RQ4 isoplanatic patches 전반에 대해 실시간 적응 초고속 초음파 영상화가 가능한가?

주요 결과

• SVD 분리는 역산 데이터의 각도 코히어런스를 최적화하는 간단한 방법을 제공한다.
• 첫 번째 공간적 및 각도 특이 벡터가 각각 비 aberrated 이미지와 aberration 법칙을 회수할 수 있다.
• in vitro 결과는 효율적인 이미지 보정 및 aberrator 추정의 정확성을 확인한다.
• SVD coherence 원리에 기반한 이질성 영역에서의 완전한 adaptive beamforming 방법론이 제안된다.
• 이 접근법은 실시간 적응 초고속 초음파 영상화 가능성을 뒷받침한다.