[论文解读] A numerical model for the study of photoacoustic imaging of brain tumours

Kamyar Firouzi, Nader Saffari|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于脑瘤光声成像的3D数值模型，整合了基于MRI的脑体模、有限元光传输方法以及k空间方法，用于模拟在包含颅骨的非均质、有衰减组织中的声波传播。该模型成功模拟了光声计算机断层扫描，准确重建了肿瘤结构，展示了收敛性与临床成像研究的可行性。

ABSTRACT

Photoacoustic imaging has shown great promise for medical imaging, where optical energy absorption by blood haemoglobin is used as the contrast mechanism. A numerical method was developed for the in-silico assessment of the photoacoustic image reconstruction of the brain. Image segmentation techniques were used to prepare a digital phantom from MR images. Light transport through brain tissue was modelled using a Finite Element approach. The resulting acoustic pressure was then estimated by pulsed photoacoustics considerations. The forward acoustic wave propagation was modelled by the linearized coupled first order wave equations and solved by an acoustic k-space method. Since skull bone is an elastic solid and strongly attenuates ultrasound (due to both scattering and absorption), a k-space method was developed for elastic media. To model scattering effects, a new approach was applied based on propagation in random media. In addition, absorption effects were incorporated using a power law. Finally, the acoustic pressure was reconstructed using the k-space time reversal technique. The simulations were ran in 3D to produce the photoacoustic tomogram of a brain tumour. The results demonstrate the convergence of the models, and their suitability for investigating the photoacoustic imaging process.

研究动机与目标

• 开发一个全面的数值框架，用于在逼真的解剖环境中模拟脑瘤的光声成像。
• 解决临床环境中颅骨导致的超声衰减和散射问题，这些问题会扭曲光声信号。
• 实现在硅环境中对脑瘤光声计算机断层扫描图像重建质量的评估。
• 整合脑组织的真实光学和声学特性，包括血红蛋白吸收特性以及颅骨引起的信号损失。
• 验证该模型的收敛性及其在未来临床光声成像应用中的适用性。

提出的方法

• 利用图像分割技术从MRI图像构建3D数字脑体模，以定义组织边界。
• 使用有限元法（FEM）求解辐射传输方程，对脑组织中的光传播进行建模。
• 通过脉冲激光激发模拟光声波生成，光学吸收基于肿瘤与健康组织中血红蛋白浓度的差异。
• 采用k空间伪谱法求解线性化的一阶波方程，以实现精确的时间域波传播。
• 将k空间方法扩展至模拟颅骨中的弹性波传播，同时考虑散射和吸收效应。
• 采用幂律模型实现频率相关的衰减，以模拟颅骨中真实的超声信号衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含颅骨的非均质脑体模中，数值模型在多大程度上能准确模拟光声波的生成与传播？
• RQ2 颅骨引起的超声衰减和散射对光声图像重建质量有何影响？
• RQ3 k空间方法能否有效改进以模拟颅骨中的弹性波传播，从而实现准确的光声信号预测？
• RQ4 肿瘤与健康脑组织之间的光学吸收对比度如何影响模拟光声图像中肿瘤的可检测性？
• RQ5 所提出的数值框架在脑瘤成像的3D模拟中是否表现出收敛性和稳定性？

主要发现

• 该数值模型成功模拟了在具有真实组织异质性的3D脑体模中光声波的生成与传播。
• 包含颅骨效应（尤其是衰减和散射）显著降低了光声信号，影响了图像的分辨率和对比度。
• 对弹性介质进行改进的k空间方法能够准确模拟声波通过颅骨的传播。
• 采用幂律模型实现频率相关的衰减，有效捕捉了颅骨中的超声信号损失，提升了模拟的真实性。
• 时间反演技术成功重建了脑瘤的光声图像，证明了该方法的收敛性与可行性。
• 模拟结果证实了该模型在受控的、基于计算机的环境中研究脑瘤光声成像的适用性。