[论文解读] Reflection matrix approach for quantitative imaging of scattering media

William Lambert, Laura A. Cobus+3 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Nov 8, 2019

Microwave Imaging and Scattering Analysis被引用 6

一句话总结

本文提出一种反射矩阵方法，通过聚焦波束成形合成虚拟换能器，实现散射介质中定量波成像，可实现波速和多重散射普遍性的空间分辨映射。该方法通过从反射矩阵中提取局部聚焦准则和散射度量，实现在复杂介质（如人体腹部）中的高分辨率成像，提供超越传统超声成像的新对比机制。

ABSTRACT

We present a physically intuitive matrix approach for wave imaging and characterization in scattering media. The experimental proof-of-concept is performed with ultrasonic waves, but this approach can be applied to any field of wave physics for which multi-element technology is available. The concept is that focused beamforming enables the synthesis, in transmit and receive, of an array of virtual transducers which map the entire medium to be imaged. The inter-element responses of this virtual array form a focused reflection matrix from which spatial maps of various characteristics of the propagating wave can be retrieved. Here we demonstrate: (i) a local focusing criterion that enables the image quality and the wave velocity to be evaluated everywhere inside the medium, including in random speckle, and (ii) an highly resolved spatial mapping of the prevalence of multiple scattering, which constitutes a new and unique contrast for ultrasonic imaging. The approach is demonstrated for a controllable phantom system, and for in vivo imaging of the human abdomen. More generally, this matrix approach opens an original and powerful route for quantitative imaging in wave physics.

研究动机与目标

• 开发一种通用的、非侵入性的基于矩阵的方法，用于散射介质中的定量波成像，适用于波动物理各领域。
• 克服传统超声成像在非均质和散射介质中的局限性，特别是波前畸变和多重散射导致图像质量下降的问题。
• 仅利用单侧可及介质的反射数据，实现波速和多重散射普遍性的空间分辨表征。
• 提供一个物理直观的框架，利用多阵元阵列数据提取超越标准反射率成像的定量波参数。
• 在受控幻影和人体腹部在体成像中验证该方法的可行性，证明其临床相关性。

提出的方法

• 该方法通过相干组合所有换能器元件的回波，利用聚焦波束成形在介质内部同时实现发射和接收的虚拟换能器阵列合成。
• 该虚拟阵列的阵元间响应形成聚焦的反射矩阵，表示介质中每对虚拟换能器之间的脉冲响应。
• 通过将矩阵投影到聚焦基，即使在斑点噪声主导区域，也能在每个像素处恢复局部点扩散函数（PSF）。
• 基于PSF的斯托鲁尔比（Strehl ratio）推导出局部聚焦准则，用于量化波前畸变，并通过相位畸变分析实现波速断层成像。
• 通过归一化反射矩阵以抑制单次散射贡献，并投影到平面波基，提取相干后向散射（CBS）效应，实现多重散射普遍性的映射。
• 该方法利用角度平均和发射矩阵计算远场强度分布，实现在每个空间位置对相干后向散射和多重散射率的量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 反射矩阵方法能否仅利用反射数据，在散射介质中实现波速和多重散射的定量成像？
• RQ2 如何利用从反射矩阵中推导出的局部聚焦准则来估计波前畸变并实现波速断层成像？
• RQ3 在强斑点噪声存在下，反射矩阵能否以高分辨率映射多重散射普遍性的空间分布？
• RQ4 该方法在复杂非均质介质（如生物组织）中能在多大程度上提升图像质量并提供新的对比机制？
• RQ5 在散射和波前畸变显著的人体腹部成像等在体环境中，该反射矩阵方法是否具有鲁棒性并具备适用性？

主要发现

• 基于PSF斯托鲁尔比的局部聚焦准则，即使在斑点区域，也能实现对介质中波速和像差的定量估计。
• 该方法成功以高分辨率映射了多重散射普遍性的空间分布，揭示了传统成像无法获取的新对比机制。
• 在受控幻影实验中，该方法在已知非均质性校准下，声速的相对误差小于1%。
• 在体人体腹部成像证实了该方法在复杂非均质组织中的可行性，清晰实现了波速和散射异质性的空间映射。
• 将归一化反射矩阵投影到平面波基，揭示了相干后向散射效应，证实了特定深度和位置存在多重散射。
• 通过相位位移展开（公式36–38）的波前畸变理论模型得到实验验证，测量的斯托鲁尔比退化与理论预测具有良好一致性。