[论文解读] An open-source software platform for translational photoacoustic research and its application to motion-corrected blood oxygenation estimation

Thomas Kirchner, Janek Gröhl+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2019

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 20被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种基于MITK软件框架的开源、实时多光谱光声-超声（PAUS）成像平台，可直接控制临床线性超声探头和可调谐激光器，适用于转化研究。该平台集成了基于超声B模式图像的光流运动校正技术，用于改善搏动血管中血氧饱和度（sO₂）的估计，降低测量变异性，并在颈动脉成像中实现动脉-静脉的准确区分，校正后sO₂估计的四分位距（IQR）分别降低了25%和19%。

ABSTRACT

Photoacoustic (PA) imaging systems based on clinical linear ultrasound arrays have become increasingly popular in translational PA research. Such systems can be more easily integrated in a clinical workflow due to the simultaneous access to ultrasonic imaging and their familiarity of use to clinicians. In contrast to more complex setups, hand held linear probes can be applied to a large variety of clinical use cases. However, most translational work with such scanners is based on proprietary development and as such not accessible to the community. In this contribution, we present a custom-built, hybrid, multispectral, real-time photoacoustic and ultrasonic imaging system with a linear array probe that is controlled by software developed within the Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK) a highly customizable and extendable open-source software platform. Our software offers direct control of both the laser and the ultrasonic system and may serve as a starting point for various translational research projects and developments. To demonstrate the applicability of the platform, we used it to implement a new method for blood oxygenation estimation in the presence of non-rigid inter-frame motion caused by pulsing arteries. Initial results from experiments with healthy human volunteers demonstrate the suitability of the method with the sample clinical application of imaging the common carotid artery as well as peripheral extremity vessels.

研究动机与目标

• 为解决临床线性超声探头在转化光声研究中缺乏可访问、开源软件的问题。
• 开发一种与临床工作流程无缝集成的实时混合光声-超声成像系统。
• 减轻搏动动脉在血氧饱和度估计过程中引起的非刚性帧间运动伪影。
• 展示在人体颈动脉和外周血管中运动校正后sO₂估计的可行性与准确性。

提出的方法

• 系统采用快速调谐的光学参量振荡器（OPO）激光器和128元线性超声换能器，均通过MITK开源平台内的自定义软件进行控制。
• 通过MITK的模块化架构管理实时数据采集与处理，实现通过厂商提供的API和自定义通信层直接控制硬件。
• 利用对应超声B模式图像的光流技术实现运动校正，对连续的光声帧进行配准，以补偿搏动血流引起的非刚性运动。
• 对多光谱PA数据应用光谱解混技术以估计区域血氧饱和度（sO₂），运动校正提升了估计的一致性。
• 该方法使用Python实现，可在单个消费级CPU核心上实时运行，5帧图像序列的处理时间仅为120 ms。
• 该系统具有可扩展性：通过扩展MITK中的硬件抽象层，可轻松集成新的激光器或数据采集系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于MITK的开源软件平台是否能够实现使用临床线性探头的实时混合光声-超声成像？
• RQ2 基于超声B模式图像的光流运动校正在多光谱PA成像中对搏动血管的伪影抑制效果如何？
• RQ3 运动校正对颈动脉和外周血管中血氧饱和度（sO₂）估计的精度与准确性提升程度如何？
• RQ4 该运动校正处理管道在标准消费级硬件上的实时性能表现如何？
• RQ5 运动校正后的sO₂估计值与健康志愿者的生理预期相比如何？

主要发现

• 运动校正使动脉血中sO₂估计的四分位距（IQR）从50%降低至25%，显著提高了测量精度。
• 在静脉血中，sO₂估计的IQR从29%降至19%，表明变异性降低。
• 颈动脉中的平均sO₂从校正前的59%提升至校正后的63%，标准差从31%降至17%。
• 在颈内静脉中，校正后sO₂估计值保持在约38%的稳定水平，标准差为15%。
• 尽管光流计算复杂，该运动校正方法在单个CPU核心上处理5帧图像序列仅耗时120 ms，证明了其具备实时处理能力。
• 该平台能够准确区分动脉与静脉的血氧饱和度水平，校正后的估计值更符合生理预期。