[논문 리뷰] Phase-Aberration Correction in Shear-wave Elastography Imaging Using Local Speed-of-Sound Adaptive Beamforming

Bhaskara Rao Chintada, Richard Rau외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 06.

Ultrasound Imaging and Elastography참고 문헌 38인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 전단파 에코그래피 영상(SWEI)에서 위상 비편향을 보정하기 위해 국소 음속(SoS) 적응형 빔포밍을 제안한다. 이는 전단파 속도(SWS) 추정에 심각한 편향을 유발하기 때문이다. 시뮬레이션과 체외 돼지 근육 필름을 통해, 알려진 국소 SoS 지도를 사용한 빔포밍은 일정 SoS 빔포밍 대비 SWS 추정 이질성을 4.3배 이상 감소시킴을 입증하였으며, 정확한 SoS 분포가 신뢰할 수 있는 탄성도 측정에 필수적임을 입증한다.

ABSTRACT

Shear-wave Elastography Imaging (SWEI) is a noninvasive imaging modality that provides tissue elasticity information by measuring the travelling speed of an induced shear-wave. It is commercially available on clinical ultrasound scanners and popularly used in the diagnosis and staging of liver disease and breast cancer. In conventional SWEI methods, a sequence of acoustic radiation force (ARF) pushes are used for inducing a shear-wave, which is tracked using high frame-rate multi-angle plane wave imaging (MA-PWI) to estimate the shear-wave speed (SWS). Conventionally, these plane waves are beamformed using a constant speed-of-sound (SoS), assuming an a-priori known and homogeneous tissue medium. However, soft tissues are inhomogeneous, with intrinsic SoS variations. In this work, study the SoS effects and inhomogeneities on SWS estimation, using simulation and phantoms experiments with porcine muscle as an abbarator, and show how these aberrations can be corrected using local speed-of-sound adaptive beamforming. For shear-wave tracking, we compare standard beamform with spatially constant SoS values to software beamforming with locally varying SoS maps. We show that, given SoS aberrations, traditional beamforming using a constant SoS, regardless of the utilized SoS value, introduces a substantial bias in resulting SWS estimations. Average SWS estimation disparity for the same material was observed over 4.3 times worse when a constant SoS value is used compared to that when a known SoS map is used for beamforming. Such biases are shown to be corrected by using a local SoS map in beamforming, indicating the importance of and a need for local SoS reconstruction techniques.

연구 동기 및 목표

• 전단파 에코그래피 영상(SWEI)에서 음속(DoS) 비균일성이 전단파 속도(SWS) 추정에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 다각도 평면파 영상(MA-PWI)에서 빔포밍에 일정 SoS 값을 사용할 경우 SWS 추정에 유도되는 편향을 평가하기 위해.
• 국소 SoS 적응형 빔포밍이 위상 비편향을 보정하고 SWS 추정 오차를 감소시킬 수 있음을 입증하기 위해.
• 임상적 SWEI에서 신뢰할 수 있는 조직 탄성도 측정을 위해 정확한 국소 SoS 재구성이 필수적임을 확립하기 위해.

제안 방법

• 다양한 SoS(물 및 돼지 근육)를 가진 다층 매질을 통과하는 전단파 전파를 시뮬레이션하여 비균일한 연부 조직을 모델링하기 위해.
• 통제된 조건에서 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 체외 돼지 근육 필름을 사용한 실험을 수행하기 위해.
• 사전 지식에서 유도된 일정 SoS 및 국소적으로 변화하는 SoS 지도를 사용하여 다각도 평면파(MA-PWI) 데이터의 빔포밍을 수행하기 위해.
• 연속 프레임 간 이동 거리 시간 프로파일(DTP) 간 상관관계를 통해 전단파 전면의 전파를 추적하기 위해 SWS 추정을 수행하기 위해.
• 일정 SoS 빔포밍 대비 SoS 적응형 빔포밍을 사용한 SWS 추정 비교를 수행하기 위해.
• 굴절 모델링 없이 직접 선형 경로 빔포밍을 사용하여 SoS 관련 빔포밍 오차를 고립하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일정 SoS 빔포밍을 사용할 경우 연부 조직 내 SoS 비균일성이 SWEI에서 전단파 속도(SWS) 추정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 국소 음속 적응형 빔포밍이 위상 비편향으로 인한 SWS 추정 편향을 감소 또는 제거할 수 있는가?
• RQ3 비균일한 매질 전역에서 SWS 추정 오차를 완화할 수 있는 단일 일정 SoS 값이 존재하는가?
• RQ4 알려진 국소 SoS 지도를 사용한 빔포밍은 일정 SoS 빔포밍 대비 SWS 추정 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 SWEI에서 빔포밍에 잘못된 또는 일정 SoS 값을 사용할 경우 SWS 추정 이질성의 크기는 어느 정도인가?

주요 결과

• 일정 SoS 값을 빔포밍에 사용할 경우, 알려진 국소 SoS 지도를 사용한 경우 대비 평균 SWS 추정 이질성이 4.3배 이상 악화된다.
• 진짜 SoS가 알려져 있더라도, 다양한 조직 층 전역에서 SWS 추정 편향을 제거할 수 있는 단일 일정 SoS 값은 존재하지 않았다.
• SWS 추정 오차는 주로 빔포밍의 부정확성 때문이었으며, 전단파 생성 때문이 아니었음을 확인하여 빔포밍이 편향의 주요 원인임을 입증하였다.
• 조직 굴절 효과를 모델링하지 않은 상태에서도 국소 SoS 지도를 빔포밍에 사용함으로써 체계적 SWS 추정 편향이 제거되었다.
• 동일한 조직에서 SWS 기반 탄성 모odulus 추정치는 빔포밍 SoS 가정에 따라 최대 3.89 kPa(4.67 kPa에서 8.94 kPa로) 변동되었으며, 이는 임상적 진단 오류의 위험을 시사한다.
• 결과는 정확한 국소 SoS 재구성이 SWEI 측정 표준화와 신뢰할 수 있는 질병 단계 분류 보장을 위해 필수적임을 시사한다.