[論文レビュー] Speed-of-sound compensated photoacoustic tomography for high resolution imaging

Jithin Jose, René G. H. Willemink+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2012

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 20被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、不均一組織内の音響屈折効果を考慮することで、画像分解能を向上させる音速（SOS）補正型光声トモグラフィー法を提案する。反復再構成法を用い、Eikonal方程式と高速進法（HAFMM）を組み合わせ、最初に超音波透過トモグラフィーを用いて2次元SOS分布を回復し、その後それらを応用してアーチファクトのない高分解能PA画像を再構成する。実験的フィジカルフィジカルにおいて、ぼやけや誤差が顕著に低減される。

ABSTRACT

In most photoacoustic (PA) measurements, variations in speed-of-sound (SOS) of the subject are neglected under the assumption of acoustic homogeneity. Biological tissue with spatially heterogeneous SOS cannot be accurately reconstructed under this assumption. We present experimental and image reconstruction methods with which 2-D SOS distributions can be accurately acquired and reconstructed, and with which the SOS map can be used subsequently to reconstruct highly accurate PA tomograms. We begin with a 2-D iterative reconstruction approach in an ultrasound transmission tomography (UTT) setting, which uses ray refracted paths instead of straight ray paths to recover accurate SOS images of the subject. Subsequently, we use the SOS distribution in a new 2-D iterative approach, where refraction of rays originating from PA sources are accounted for in accurately retrieving the distribution of these sources. Both the SOS reconstruction and SOS-compensated PA reconstruction methods utilize the Eikonal equation to model acoustic wavefront propagation, which is solved using a high accuracy fast marching method (HAFMM). We validate the new reconstruction algorithms using numerical phantoms. For experiments we use the PER-PACT method which can be used to simultaneously acquire SOS and PA data from subjects. We test the reconstruction algorithms using experimental data acquired with the PER-PACT setup from challenging physical phantoms. The results show that it is important to take SOS inhomogeneities into account. The iterative reconstruction algorithms, that model acoustic refractive effects, yield artifact-free highly accurate images. Our approach of using the hybrid measurement method and the new reconstruction algorithms, is successful in substantially improving the quality of PA images with a minimization of blurring and artefacts.

研究の動機と目的

• 組織由来の音速（SOS）の不均一性による光声トモグラフィーにおける画像劣化の問題に対処すること。
• 空間的に変化する音響特性を示す生物学的組織において、2次元SOS分布を正確に再構成する手法を開発すること。
• 再構成されたSOSマップを用いて屈折を考慮することで、光声画像再構成の正確性を向上させること。
• 数値フィジカルおよびPER-PACTシステムからの実験データを用いて、提案手法の妥当性を検証すること。
• 直線的光線ではなく屈折光線経路を用いることで、PA画像のぼやけやアーチファクトを最小限に抑えること。

提案手法

• 屈折光線経路を用いることで、直線的光線ではなく、反復的再構成アプローチを用いた超音波透過トモグラフィー（UTT）設定で2次元SOS分布を回復する。
• Eikonal方程式を用いて音響波フロントの伝播をモデル化し、数値的安定性と精度を向上させる高精度高速進法（HAFMM）で解く。
• 再構成されたSOSマップを、PA源から出る光線の屈折を考慮した2番目の反復的光声再構成プロセスの入力として用いる。
• PER-PACTシステムを用いてSOSおよびPAデータを同時に取得し、音響および光声信号のハイブリッド測定を可能にする。
• Eikonal方程式に基づくレイトレーシングを用いて、不均一媒体内を通過する音波の真の経路をモデル化し、再構成の忠実性を向上させる。
• 波フロントモデリングを通じて物理的整合性を強制する共同逆問題フレームワークを用いて、SOSおよびPA源分布を反復的に最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 屈折光線経路を用いた超音波透過トモグラフィーを用いて、不均一な生物学的組織内での2次元音速（SOS）分布を正確に再構成できるか？
• RQ2 光声再構成において音響屈折を考慮することで、一定音速を仮定する従来手法と比較して、画像品質がどのように向上するか？
• RQ3 Eikonal方程式とHAFMMを用いることで、PAイメージングにおける波フロント伝播モデリングの正確性がどの程度向上するか？
• RQ4 ハイブリッドPER-PACTシステムは、SOS補正再構成に不可欠なSOSおよびPAデータの同時取得を可能にするか？
• RQ5 SOS不均一性は、標準的なPAトモグラフィーにおける画像のぼやけやアーチファクトにどのような影響を及ぼし、効果的に軽減できるか？

主な発見

• 提案されたSOS再構成法は、屈折光線経路とEikonal方程式に基づくモデリングを用いて、不均一フィジカル内での2次元音速（SOS）分布を成功裏に回復した。
• SOS補正型光声再構成を用いることで、一定音速を仮定する従来手法と比較して、ぼやけやアーチファクトが顕著に低減された。
• 屈折光線モデリングを組み込んだ反復的再構成は、数値フィジカルおよびPER-PACTシステムからの実験データにおいて、アーチファクトのない画像を実現した。
• 高精度高速進法（HAFMM）は、不均一媒体内での複雑な波フロント伝播をモデリングする上で、Eikonal方程式の正確な解法を可能にした。
• 実験結果から、SOS不均一性が画像品質に顕著な影響を及ぼすことが示され、その補正により分解能および正確性が明確に向上した。
• PER-PACTを用いたハイブリッド測定アプローチにより、SOSおよびPAデータの信頼性ある同時取得が可能となり、提案された再構成フレームワークの実現に不可欠な要因となった。