[论文解读] Phase-Aberration Correction in Shear-wave Elastography Imaging Using Local Speed-of-Sound Adaptive Beamforming

Bhaskara Rao Chintada, Richard Rau+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2021

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 38被引用 7

一句话总结

本研究提出了一种局部声速（SoS）自适应束形成方法，以校正剪切波弹性成像（SWEI）中的相位偏差，否则该偏差将导致剪切波速度（SWS）估计产生显著偏差。通过仿真和离体猪肌肉模型实验，作者证明，与恒定声速束形成相比，使用已知的局部SoS图可使SWS估计差异降低4.3倍以上，证实了准确声速分布对于可靠弹性量化至关重要。

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.

研究动机与目标

• 研究软组织中声速（SoS）不均匀性对剪切波弹性成像（SWEI）中剪切波速度（SWS）估计的影响。
• 评估在多角度平面波成像（MA-PWI）中使用恒定SoS值进行束形成时引入的SWS估计偏差。
• 证明局部SoS自适应束形成可校正相位偏差并减少SWS估计误差。
• 确立准确局部SoS重建在临床SWEI中可靠组织弹性量化中的必要性。

提出的方法

• 通过具有不同声速（水和猪肌肉）的分层介质模拟剪切波传播，以模拟不均匀软组织。
• 使用离体猪肌肉模型进行实验，以在受控条件下验证仿真结果。
• 使用恒定SoS和基于先验知识获得的空间变化的局部SoS图对多角度平面波（MA-PWI）数据进行束形成。
• 通过连续帧之间位移时间剖面（DTPs）的互相关计算SWS估计，以追踪剪切波前的传播。
• 比较使用恒定SoS束形成与使用空间变化SoS图的SoS自适应束形成所得的SWS估计结果。
• 采用无折射建模的直接直线路径束形成，以隔离与SoS相关的束形成误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用恒定SoS束形成时，软组织中的SoS不均匀性如何影响SWEI中剪切波速度（SWS）的估计？
• RQ2 局部声速自适应束形成能否减少或消除由相位偏差引起的SWS估计偏差？
• RQ3 是否存在一个恒定的SoS值，可有效减轻异质介质中SWS估计误差？
• RQ4 与恒定SoS束形成相比，使用已知局部SoS图进行束形成在多大程度上提升了SWS估计精度？
• RQ5 在SWEI束形成中使用错误或恒定的SoS值时，SWS估计差异的量级是多少？

主要发现

• 使用恒定SoS值进行束形成，其平均SWS估计差异比使用已知局部SoS图高出4.3倍以上。
• 即使已知真实SoS，也不存在一个单一的恒定SoS值能完全消除不同组织层之间的SWS估计偏差。
• SWS估计误差主要源于束形成不准确，而非剪切波生成，证实束形成是主要偏差来源。
• 即使未建模折射效应，束形成中使用局部SoS图也能消除系统性SWS估计偏差。
• 对于同一组织，基于SWS的弹性模量估计值因束形成SoS假设的不同而变化达3.89 kPa（从4.67 kPa到8.94 kPa），凸显了误诊的临床风险。
• 结果表明，准确的局部SoS重建对于标准化SWEI测量并确保可靠疾病分期至关重要。