[논문 리뷰] Ultrasound Matrix Imaging-Part I: The focused reflection matrix, the F-factor and the role of multiple scattering

William Lambert, Robin, Justine외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 02.

Ultrasound Imaging and Elastography참고 문헌 2인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 초음파 영상에서 비정상성의 정량화 및 보정을 위해 초음파 매트릭스 영상(UMI)이라는 새로운 매트릭스 기반 접근법을 제안한다. 초음파 집중 반사 매트릭스를 분석함으로써, 시간-주파수 분석을 통해 단일 산란, 다중 산란 및 노이즈 성분을 분리하여, 다중 산만과 노이즈에 강건한 고해상도 집중 품질 지도를 제공하는 강력한 F-요소 지표를 도입한다. 이는 기존의 일관성 계수보다 우수하며, 시뮬레이션 및 생체 내 소등부 영상에서 높은 횡방향 해상도를 확보한다.

ABSTRACT

This is the first article in a series of two dealing with a matrix approach for aberration quantification and correction in ultrasound imaging. Advanced synthetic beamforming relies on a double focusing operation at transmission and reception on each point of the medium. Ultrasound matrix imaging (UMI) consists in decoupling the location of these transmitted and received focal spots. The response between those virtual transducers form the so-called focused reflection matrix that actually contains much more information than a confocal ultrasound image. In this paper, a time-frequency analysis of this matrix is performed, which highlights the single and multiple scattering contributions as well as the impact of aberrations in the monochromatic and broadband regimes. Interestingly, this analysis enables the measurement of the incoherent input-output point spread function at any pixel of this image. A fitting process enables the quantification of the single scattering, multiple scattering and noise components in the image. From the single scattering contribution, a focusing criterion is defined, and its evolution used to quantify the amount of aberration throughout the ultrasound image. In contrast to the state-of-the-art coherence factor, this new indicator is robust to multiple scattering and electronic noise, thereby providing a contrasted map of the focusing quality at a much better transverse resolution. After a validation of the proof-of-concept based on time-domain simulations, UMI is applied to the in-vivo study of a human calf. Beyond this specific example, UMI opens a new route for speed-of-sound and scattering quantification in ultrasound imaging.

연구 동기 및 목표

• 비균일한 연조직에서 음속의 변화와 비정상성으로 인한 전통적 초음파 영상의 한계를 해결하기 위해.
• 다중 산만과 전자적 노이즈에 민감하지 않은 집중 품질 평가를 위한 강력한 지표를 개발하기 위해.
• 초음파 데이터의 매트릭스 기반 접근법을 통해 고해상도의 정량적 비정상성 맵핑을 가능하게 하기 위해.
• 시간 영역 시뮬레이션과 생체 내 인간 쇄골부 영상에서 방법을 검증하기 위해.
• 미래의 음속 및 산란 정량화를 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 초음파 영상에서 전송 및 수신 집중점의 분리함으로써 집중 반사 매트릭스를 구성함으로써 매체의 반응에 대한 전체 공간 샘플링을 가능하게 한다.
• 시간-주파수 분석을 적용하여 매트릭스를 단일 산만, 다중 산만 및 노이즈 성분의 기여도로 분해한다.
• 단일 산만 성분에 기반한 집중 품질 지표인 F-요소를 정의하며, 일관된 신호 기여도를 분리하기 위해 피팅 과정을 통해 유도한다.
• F-요소를 사용하여 이미지 전역에서 고횡방향 해상도의 대비가 높은 집중 품질 지도를 생성함으로써 일관성 계수를 대체한다.
• 시간 영역 시뮬레이션을 통해 검증하고, 인간 쇄골부에서의 생체 내 초음파 데이터에 적용하여 임상 적용 가능성과 타당성을 입증한다.
• 파동 전파 및 산만을 모델링하기 위해 매트릭스 형식을 사용하여 단일 주파수 및 광대역 영역 모두에서 비정상성 영향의 정량적 분석을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매트릭스 기반 접근법이 기존의 빔포밍을 초월하여 초음파 영상에서 비정상성의 정량화를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 다중 산만과 전자적 노이즈가 기존의 집중 품질 지표(예: 일관성 계수)의 정확성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 집중 반사 매트릭스의 단일 산만 성분에서 유도된 새로운 지표가 집중 품질 평가에 더 강력하고 고해상도로 제공될 수 있는가?
• RQ4 다중 산만과 노이즈가 존재할 경우 F-요소가 일관성 계수보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 이 방법을 통해 연조직에서의 음속 및 산란 정량화를 정량적으로 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 집중 반사 매트릭스의 단일 산만 성분에서 유도된 F-요소는 다중 산만과 노이즈에 강건하며, 집중 품질에 대한 강력하고 정확한 측정값을 제공한다.
• F-요소는 높은 횡방향 해상도의 집중 품질 맵핑을 가능하게 하여, 공간 해상도와 대비 면에서 일관성 계수를 크게 능가한다.
• 시간-주파수 분석은 집중 반사 매트릭스 내에서 단일 산만, 다중 산만 및 노이즈 기여도를 성공적으로 분리하고 정량화하였다.
• 시뮬레이션 결과에서 F-요소는 다양한 음속 분포에서 비정상성 수준을 정확히 추적하여 파면 왜곡에 대한 민감성을 입증하였다.
• 인간 쇄골부에서의 생체 내 적용 결과, F-요소 맵은 조직의 비균일성과 일치하는 공간적으로 변화하는 비정상성 패턴을 드러내어 임상적 관련성을 입증하였다.
• 이 방법은 각 픽셀에서 비일관성 입력-출력 인 영상 함수를 측정할 수 있게 하여, 영상 열화 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공한다.