[논문 리뷰] Ultrasound imaging with three dimensional full-wave nonlinear acoustic simulations. Part 2: sources of image degradation in intercostal imaging

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

Microwave Imaging and Scattering Analysis참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 3D 전체파 비선형 초음파 시뮬레이션을 사용하여 갈비뼈 간 이미징에서의 영상 품질 열화 원인을 조사하며, 갈비뼈가 부록형 빔 조절 효과로 부록률 억제를 향상시키지만 동시에 다중 반사 잡음(clutter)을 유발하여 영상 품질을 떨어뜨린다고 밝힌다. 최적의 영상 품질은 갈비뼈가 해부학적 위치에 있을 때 발생하며, 이는 부록형 효과와 반사 잡음의 손해를 균형 잡는 조건이다. 갈비뼈를 인위적으로 압축할 경우 반사 잡음이 증가하여 대비-노이즈비(CNR)가 8% 감소한다.

ABSTRACT

Fullwave simulations are applied to an intercostal imaging scenario to determine the sources of fundamental and harmonic image degradation with respect to aberration and reverberation. These simulations are based on Part I of this two part paper, which established the Fullwave simulation methods to generate realistic ultrasound images based directly on the first principles of wave propagation in the human body. The ultasound images are generated based on the first principles of propagation and reflection and they describe interplay between distributed aberration and reverberation clutter. Three imaging scenarios that would not be realizable in vivo are investigated in silico. First, the ribs were completely removed and replaced with fat. Then, the ribs were maintained in their anatomically correct configuration to yield a reference image. Finally the ribs were placed closer together in elevation. The propagation based B-mode images show that of these three scenarios the second, anatomically correct configuration, has the best contrast-to-noise ratio. This is due to two competing effects. First the ribs effectively apodize the fundamental and harmonic beams by 3-5 dB. This effect alone would predict an improvement in image quality. However, the B-mode image quality, measured by the contrast-to-noise ratio degrades by 8%. To explain these changes, it is shown that a second effect, multiple reverberation, must be taken into account. A point spread function analysis shows that when the ribs are placed closer together they generate significantly more reverberation clutter (by 2.4 to 2.9 dB), degrading the image quality even though the beamplot has lower sidelobes. In this intercostal imaging scenario the effects of the ribs on beam shape and reverberation are therefore in competition in terms of image quality and there is an optimal acoustic window that balances them out.

연구 동기 및 목표

• 갈비뼈 간 초음파 영상에서의 주요 영상 품질 열화 원인, 특히 굴절과 다중 반사 잡음을 규명하는 것.
• 실제 생체 내에서 실현되지 않는 시뮬레이션을 통해 갈비뼈 구조가 빔 형상 조절과 반사 잡음에 미치는 영향을 분리하여 분석하는 것.
• 특히 갈비뼈 간격을 좁힐 경우 영상 품질 지표인 대비-노이즈비(CNR)에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 빔 프로파일만으로는 영상 품질을 예측할 수 없으며, 다중 반사 잡음이 주요이고 오랫동안 간과되어 온 요소임을 입증하는 것.
• 복잡하고 이질적인 해부학적 환경에서 영상 품질 분석을 위한 정량적 도구로 Fullwave 시뮬레이션 플랫폼의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 비균질 매질 내에서의 파동 전파 제1원리에 기반한 3D 전체파 시뮬레이션을 사용하여 갈비뼈 간 창을 통한 초음파 영상 모델링을 수행하였다.
• 해부학적 데이터는 Visible Human 여성 시체 데이터셋을 활용하여 흉부의 실제적인 3차원 음향 지도를 생성하였다.
• 세 가지 영상 시나리오를 시뮬레이션하였다: 갈비뼈 제거 후 지방으로 대체, 갈비뼈를 해부학적 위치에 유지, 갈비뼈를 수직 방향으로 인위적으로 압축.
• 점원형 분포함수(PSF)를 계산하여 다른 영상 품질 열화 원인과 분리하여 반사 잡음을 정량화하였다.
• B모드 영상에서 대비-노이즈비(CNR)를 측정하여 세 시나리오 간의 영상 품질을 평가하였다.
• 빔 플롯과 PSF 분석을 통해 굴절, 부록형, 다중 반사의 영향을 영상 품질에 미치는 영향을 분리하여 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 갈비뼈 유도 굴절과 다중 반사 중 어느 것이 갈비뼈 간 초음파 영상 품질 열화에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ2 갈비뼈 간격을 좁힐 경우 빔 형상과 대비-노이즈비(CNR)와 같은 영상 품질 지표에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 갈비뼈가 빔 부록형 효과를 제공함으로써 영상 품질을 향상시킬 수는 있지만, 추가로 발생하는 반사 잡음은 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 갈비뼈를 더 가까이 위치시킬 경우 빔 프로파일은 부록률 억제가 향상됨에도 불구하고 왜 영상 품질이 열화되는가?
• RQ5 빔 프로파일과 굴절만으로는 영상 품질을 얼마나 정확히 예측할 수 있으며, 반사 잡음은 얼마나 중요한 무시된 요소인가?

주요 결과

• 해부학적으로 정확한 갈비뼈 구성에서 대비-노이즈비(CNR)가 가장 높았으며, 이는 갈비뼈가 3–5 dB의 부록형 효과를 유도하지만도 여전히 영상 품질에 긍정적 영향을 미친다는 것을 의미한다.
• 갈비뼈를 제거하고 지방으로 대체한 경우, 빔 형상 향상에도 불구하고 부록형 효과가 상실되어 해부학적 경우 대비 CNR이 8% 감소하였다.
• 갈비뼈를 몇 mm 인위적으로 압축함으로써 빔 부록률 억제는 향상되었지만 반사 잡음은 2.4–2.9 dB 증가하여 전체 CNR가 열화되었다.
• PSF를 통한 반사 잡음 정량화 결과, 기본 주파수에서 갈비뼈가 해부학적 위치일 경우 -35.4 dB에서, 갈비뼈가 압축된 경우 -32.7 dB로 증가하였다.
• 2차 고조파에서는 반사 잡음이 해부학적 경우 -51.2 dB에서 압축된 경우 -48.9 dB로 증가하여, 갈비뼈 간격이 좁아질수록 다중 반사 잡음이 영상 품질 열화의 주요 원인임을 확인하였다.
• 이 연구는 빔 프로파일과 굴절만으로는 영상 품질 예측이 불충분하며, 다중 반사 잡음은 갈비뼈 간 영상에서 중요한 요소이자 오랫동안 간과되어 온 핵심 요소임을 입증하였다.