[논문 리뷰] Ultrasound imaging of the human body with three dimensional full-wave nonlinear acoustics. Part 1: simulations methods

Gianmarco Pinton|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 15.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인간 신체 영상에 대해 Visible Human 데이터셋을 활용하여 해부학적으로 정확한 음향 지도를 생성함으로써, 처음으로 3차원 전체파 비선형 초음파 시뮬레이션을 제시한다. 유한차분법를 사용하여 원칙에서부터 파동 전파 및 산란을 시뮬레이션함으로써, 조밀한 빔 프로파일과 낮은 위상 왜곡(23.4 ns) 덕분에 허르모닉 영상이 더 뛰어난 영상 품질(CNR = 0.79 대비 0.67)을 제공함을 입증한다. 이는 3차원에서 영상 품질 저하 원인을 현실적으로 평가할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Simulations of three dimensional ultrasound propagation in heterogeneous media are computationally intensive due to the constraints arising from the large size of the domain, which is on the order of hundreds of wavelengths, and the small size of scatterers, which are much smaller than a wavelength. Consequently, three dimensional ultrasound imaging simulations are currently based on models that simplify the propagation physics. Here the full three dimensional wave physics is simulated with finite differences to generate ultrasound images of the human body based directly on the first principles of propagation and backscattering. The Visible Human project, a 3D data set of the human body that was generated with photographs of 0.33 mm cryosections, is converted into 3D acoustical maps. A full-wave nonlinear acoustic simulation tool is used to propagate ultrasound into the liver with a 2D intercostal ultrasound array in a $93 imes 39 imes 22$ mm domain with $6 imes10^8$ points. Imaging metrics, based on the beamplots, root-mean-square phase aberration, spatial coherence lengths, and contrast-to-noise ratio are used to characterize the image quality. It is shown that the harmonic image quality is better than the fundamental image quality due, in part, to a narrower beam profile. The root-mean-square estimate of aberration after propagation through the simulated body wall is shown to be low (23.4 ns), consistently with previous reports of aberration measured experimentally in a human body wall. The spatial coherence measured at the transducer surface indicates that a transducer array element size of $<0.81 λ$ would be required to fully sample the acoustic field. These simulated three dimensional ultrasound images based directly on propagation physics provide a platform to investigate the sources of image degradation in three dimensions (included in Part II).

연구 동기 및 목표

• 인간 신체 영상에 기반한 고정밀 3차원 초음파 시뮬레이션 프레임워크를 원칙 기반의 파동 물리학에 기반해 개발하기.
• Visible Human 데이터셋에서 유도된 3차원 음향 지도를 사용하여, 파장 이하의 산란체를 포함한 큰 영역을 시뮬레이션하는 데 발생하는 계산적 과제를 해결하기 위해 유한차분 방법을 적용하기.
• 해부학적으로 현실적인 조건에서 빔 프로파일, 위상 왜곡, 일관성, 대비 대 노이즈 비율(CNR)과 같은 영상 품질 지표를 정확하게 특성화하기.
• 제2부에서 상세히 설명된 바와 같이, 3차원에서의 반사, 분산 왜곡 등의 영상 품질 저하 메커니즘을 연구하기 위한 기초를 마련하기.
• 횡격막을 통과하는 간 영상 시나리오에서 기본 영상과 허르모닉 영상의 성능을 비교함으로써 시뮬레이션 플랫폼의 타당성을 검증하기.

제안 방법

• 0.33 mm 두께의 냉동절단 기반 Visible Human 3차원 광학 데이터셋을 고해상도 3차원 음향 특성 지도(음속, 밀도, 감쇠)로 변환하기.
• 전파 비선형 초음파 전파를 비균질 조직을 통해 시뮬레이션하기 위해 Fullwave 유한차분 해법을 적용함. 이는 회절, 산란, 비선형성, 주파수 의존 감쇠를 포함한 전체 파동 물리학을 반영한다.
• 2D 횡격막 배열을 사용하여 2 MHz에서 펄스를 전송하고, 6×10⁸ 개의 격점이 있는 93×39×22 mm 영역에서 반사된 신호를 수신한다.
• 201,000개의 시뮬레이션 점을 가상 요소로 사용하여 횡방향 및 고도 방향에서 동적 수신 초점 조절 기능을 갖춘 지연-합산 빔포밍을 구현한다.
• 송신 및 2배 송신 주파수에서 각각 가우시안 필터링을 통해 기본 성분과 허르모닉 성분을 분리한다.
• 빔플롯, 루트 평균 제곱 위상 왜곡, 공간 일관성 길이, 대비 대 노이즈 비율(CNR)을 사용하여 영상 품질을 정량적으로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원칙 기반의 전체파 비선형 3차원 초음파 시뮬레이션은 비균질 인간 조직에서 영상 품질을 예측하는 데 있어 단순화된 모델에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ2 조직의 비균일성과 몸통 벽이 횡격막 초음파 영상에서 위상 왜곡과 빔 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 3차원 해부학적 모델에서 허르모닉 영상과 기본 영상 간의 빔 너비, 부가파 수준, 대비 대 노이즈 비율에서의 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 공간 일관성 측정 기반으로, 음향장을 완전히 샘플링하기 위해 필요한 초음파 변환기 요소의 크기는 얼마인가?
• RQ5 전파 시뮬레이션을 통해 드러난 3차원 횡격막 초음파 영상에서의 주요 영상 품질 저하 원인—반사, 왜곡 등—은 무엇인가?

주요 결과

• 허르모닉 영상에서 기본 영상보다 더 높은 대비 대 노이즈 비율(CNR = 0.79)을 달성하여 병변 탐지 가능성 향상을 시사한다.
• 모의된 몸통 벽을 통과한 후 루트 평균 제곱 위상 왜곡은 23.4 ns로 측정되었으며, 이는 실험 측정 결과와 일치하며 중간 정도의 왜곡을 나타낸다.
• 공간 일관성 분석 결과, 음향장을 완전히 샘플링하기 위해 초음파 변환기 요소 크기는 0.81λ 이하여야 하며, 이는 핵심 설계 제약 조건을 정의한다.
• 기본 영상 및 허르모닉 영상의 빔플롯 분석 결과, 빔 너비와 부가파 수준은 유사했지만, 허르모닉 영상에서는 더 좁은 효과적 빔 프로파일을 보여 해상도 향상을 기여한다.
• 근접부 조직 층(0–30 mm)와 간 내부 구조물(48 mm 및 60 mm 깊이)이 기본 영상 및 허르모닉 B모드 영상에서 뚜렷하게 관찰되었다.
• 이 시뮬레이션 프레임워크는 실제 인간 신체 모델을 통해 전체파 비선형 전파 물리학에 기반한 최초의 3차원 초음파 영상을 성공적으로 생성하였으며, 영상 품질 저하 메커니즘에 대한 세밀한 연구를 가능하게 하였다.