[论文解读] Image Improvement in Linear-Array Photoacoustic Imaging using High Resolution Coherence Factor Weighting Technique

Moein Mozaffarzadeh, Mohammad Mehrmohammadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2017

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种高分辨率相干性因子（HRCF）加权技术，用于线阵光声成像，该技术在相干性因子公式中用最小方差（MV）波束成形替代了传统的延迟叠加（DAS）波束成形。该方法通过显著提高分辨率并降低旁瓣电平，实现了更优的图像质量，定量结果显示，在40 mm深度下，与DAS+CF相比，全宽半高 Full-Width-Half-Maximum (FWHM) 缩窄了高达91%，信噪比（SNR）提高了40%。

ABSTRACT

In Photoacoustic imaging (PAI), the most prevalent beamforming algorithm is delay-and-sum (DAS) due to its simple implementation. However, it results in a low quality image affected by the high level of sidelobes. Coherence factor (CF) can be used to address the sidelobes in the reconstructed images by DAS, but the resolution improvement is not good enough compared to the high resolution beamformers such as minimum variance (MV). As a weighting algorithm in linear-array PAI, it was proposed to use high-resolution-CF (HRCF) weighting technique in which MV is used instead of the existing DAS in the formula of the conventional CF. The higher performance of HRCF was proved numerically and experimentally. The quantitative results obtained with the simulations show that at the depth of 40 mm, in comparison with DAS+CF and MV+CF, HRCF improves the full-width-half-maximum of about 91 % and 15 % and the signal-to-noise ratio about 40 % and 14 %, respectively. Moreover, the contrast ratio at the depth of 20 mm has been improved about 62 % and 21 % by HRCF, compared to DAS+CF and MV+CF, respectively

研究动机与目标

• 为解决延迟叠加（DAS）波束成形在光声成像中导致的图像分辨率低、旁瓣电平高的局限性。
• 在传统相干性因子（CF）加权无法提升分辨率的情况下，进一步提升图像质量。
• 开发一种新型加权技术，将最小方差（MV）波束成形的高分辨率性能整合到CF框架中。
• 通过数值模拟和实验组织模拟体膜验证所提出的高分辨率相干性因子（HRCF）方法。

提出的方法

• HRCF方法将传统相干性因子（CF）公式中分子的DAS波束成形输出，替换为最小方差（MV）波束成形的输出。
• 相干性因子计算为MV波束成形输出与所有阵元信号绝对值之和的比值，从而提升信噪比和分辨率。
• 最终得到的HRCF加权系数应用于DAS波束成形信号，生成分辨率更高、旁瓣更低的最终图像。
• 该方法使用128元线阵的模拟数据和含微血管的组织模拟体膜的实验数据进行评估。
• HRCF加权在DAS波束成形之后应用，结合了DAS的鲁棒性与MV的分辨率优势。
• 由于HRCF分子中引入了MV计算，计算复杂度从O(M)增加到O(L³)。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相干性因子公式中用MV替代DAS，是否能显著提升线阵光声成像中的图像分辨率和旁瓣抑制？
• RQ2 HRCF在全宽半高（FWHM）、信噪比（SNR）和对比度比方面，与DAS+CF和MV+CF相比表现如何？
• RQ3 HRCF在噪声环境和声速估计误差下是否仍保持鲁棒性？
• RQ4 HRCF在真实组织模拟体膜实验设置中是否能有效提升图像质量？
• RQ5 HRCF在图像质量提升与计算复杂度之间存在何种权衡？

主要发现

• 在40 mm深度下，HRCF相较于DAS+CF将全宽半高（FWHM）缩小约91%，相较于MV+CF缩小15%。
• 在40 mm深度下，HRCF相较于DAS+CF将信噪比（SNR）提高约40%，相较于MV+CF提高14%。
• 在20 mm深度下，HRCF相较于DAS+CF将对比度比提高约62%，相较于MV+CF提高21%。
• 在实验成像中，HRCF生成了更清晰的横向剖面，旁瓣更低，主瓣更窄，22 mm和24 mm深度的横向变化分析证实了这一点。
• HRCF在噪声和声速高估条件下表现出更强鲁棒性，能在信号质量下降时维持图像质量。
• 在55 mm深度下，HRCF相较于DAS+CF将SNR提高9 dB，相较于MV+CF提高22 dB，同时FWHM分别缩小1752 µm和44 µm。