[论文解读] Quasi-Real Time Multi-Frequency 3D Shear Wave Absolute Vibro-Elastography (S-WAVE) System for Prostate

Tajwar Abrar Aleef, Julio Lobo+8 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Ultrasound Imaging and Elastography被引用 4

一句话总结

本文提出了一种准实时、三维多频剪切波弹性成像系统，用于通过经会阴机械激励和射频超声数据检测前列腺癌。通过采用带通采样和斑点追踪技术，实现了高精度、低帧率的组织运动追踪与绝对弹性量化，结合组织病理学对照，在分类外周带癌变时AUC达到0.82 ± 0.01。

ABSTRACT

This article describes a novel quasi-real time system for quantitative and volumetric measurement of tissue elasticity in the prostate. Tissue elasticity is computed by using a local frequency estimator to measure the three dimensional local wavelengths of a steady-state shear wave within the prostate gland. The shear wave is created using a mechanical voice coil shaker which transmits multi-frequency vibrations transperineally. Radio frequency data is streamed directly from a BK Medical 8848 trans-rectal ultrasound transducer to an external computer where tissue displacement due to the excitation is measured using a speckle tracking algorithm. Bandpass sampling is used that eliminates the need for an ultra fast frame rate to track the tissue motion and allows for accurate reconstruction at a sampling frequency that is below the Nyquist rate. A roll motor with computer control is used to rotate the sagittal array of the transducer and obtain the 3D data. Two CIRS phantoms were used to validate both the accuracy of the elasticity measurement as well as the functional feasibility of using the system for in vivo prostate imaging. The system has been used in two separate clinical studies as a method for cancer identification. The results, presented here, show numerical and visual correlations between our stiffness measurements and cancer likelihood as determined from pathology results. Initial published results using this system include an area under the receiver operating characteristic curve of 0.82+/-0.01 with regards to prostate cancer identification in the peripheral zone.

研究动机与目标

• 开发一种准实时、三维、定量的弹性成像系统，用于前列腺组织硬度映射，以提高癌症检测能力。
• 克服传统剪切波弹性成像的局限性，如信噪比低以及高强度声脉冲引起的组织加热。
• 通过音圈振动器实现多频、稳态机械激励，实现三维、绝对弹性测量。
• 通过胶体模型和两项临床研究（含组织病理学对照）验证系统的准确性和可行性。
• 展示绝对弹性值在识别前列腺外周带癌变区域中的临床实用性。

提出的方法

• 通过机械音圈振动器向前列腺施加多频经会阴振动（75–80 Hz），以激发稳态剪切波。
• 从BK Medical 8848经直肠探头实时采集射频（RF）超声数据，并传输至外部计算机进行处理。
• 采用斑点追踪技术，以亚微米精度测量剪切波运动引起的组织位移。
• 应用带通采样技术，在低于奈奎斯特采样率的条件下重建高频组织运动，从而无需超高速帧率的超声系统。
• 通过计算机控制的旋转电机带动探头阵列，沿多个矢状面获取三维体积数据。
• 利用局部频率估计算法，根据剪切波的局部波长计算组织弹性，通过多频结果平均提升鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 多频、稳态剪切波弹性成像系统是否能在准实时帧率下实现前列腺组织中高精度、三维、绝对弹性测量？
• RQ2 带通采样是否能够在不依赖超高速帧率超声系统的情况下，实现对高频组织运动的可靠追踪？
• RQ3 本系统所获得的绝对弹性值是否能在数值和视觉上与组织病理学证实的癌变组织区域相关联？
• RQ4 该系统在临床环境中表现如何，特别是在区分外周带癌变与良性组织方面？
• RQ5 假阳性或弹性测量偏差的来源是什么？生物因素（如钙化或水肿）对结果有何影响？

主要发现

• 该系统在结合弹性与相位数据的多参数分类器下，对前列腺外周带癌变的分类AUC达到0.82 ± 0.01。
• 在前列腺切除术和聚焦治疗两项研究中，绝对弹性图上显示的高硬度区域与组织病理学证实的癌变组织在数值和视觉上均表现出强烈相关性。
• 胶体模型验证显示，该系统测得的弹性值与磁共振弹性成像（MRE）结果高度一致。
• 带通采样技术使系统能够在远低于奈奎斯特采样率的帧率下，准确重建高频组织运动，显著降低了硬件与计算资源需求。
• 部分区域出现假阳性弹性升高，可能与钙化或水肿等伪影有关，提示需改进对粘弹性特性和波传播模式的建模。
• 该系统在不超出FDA组织加热安全限值的前提下，成功实现了体内前列腺三维体积弹性成像的可行性。