[论文解读] Ultrasound Matrix Imaging-Part I: The focused reflection matrix, the F-factor and the role of multiple scattering

William Lambert, Robin, Justine+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新型基于矩阵的超声成像方法——超声矩阵成像（UMI），通过分析聚焦反射矩阵，量化并校正超声成像中的异常。利用时频分析，该方法可分离单次散射、多次散射和噪声分量，从而构建出一种对多次散射和噪声具有鲁棒性的F因子度量，其性能优于传统的相干性因子，能够提供高分辨率的聚焦质量图，显著提升模拟和离体牛腿组织成像中的横向分辨率。

ABSTRACT

This is the first article in a series of two dealing with a matrix approach for aberration quantification and correction in ultrasound imaging. Advanced synthetic beamforming relies on a double focusing operation at transmission and reception on each point of the medium. Ultrasound matrix imaging (UMI) consists in decoupling the location of these transmitted and received focal spots. The response between those virtual transducers form the so-called focused reflection matrix that actually contains much more information than a confocal ultrasound image. In this paper, a time-frequency analysis of this matrix is performed, which highlights the single and multiple scattering contributions as well as the impact of aberrations in the monochromatic and broadband regimes. Interestingly, this analysis enables the measurement of the incoherent input-output point spread function at any pixel of this image. A fitting process enables the quantification of the single scattering, multiple scattering and noise components in the image. From the single scattering contribution, a focusing criterion is defined, and its evolution used to quantify the amount of aberration throughout the ultrasound image. In contrast to the state-of-the-art coherence factor, this new indicator is robust to multiple scattering and electronic noise, thereby providing a contrasted map of the focusing quality at a much better transverse resolution. After a validation of the proof-of-concept based on time-domain simulations, UMI is applied to the in-vivo study of a human calf. Beyond this specific example, UMI opens a new route for speed-of-sound and scattering quantification in ultrasound imaging.

研究动机与目标

• 解决由于异质性软组织中声速变化导致的常规超声成像局限性。
• 开发一种对多次散射和电子噪声不敏感的聚焦质量评估鲁棒度量。
• 通过基于矩阵的超声数据方法，实现在高分辨率下对异常的定量映射。
• 在时域仿真和离体人体牛腿成像中验证该方法的有效性。
• 为未来超声成像中声速与散射特性的定量分析奠定基础。

提出的方法

• 通过解耦超声成像中的发射与接收聚焦点，构建聚焦反射矩阵，实现对介质响应的完整空间采样。
• 应用时频分析将矩阵分解为单次散射、多次散射和噪声分量的贡献。
• 基于单次散射分量，通过拟合过程定义F因子作为聚焦质量度量，以分离相干信号贡献。
• 利用F因子生成具有高横向分辨率的对比度聚焦质量图，替代传统的相干性因子。
• 通过时域仿真验证，并将方法应用于人体牛腿的离体超声数据，验证其临床可行性。
• 采用矩阵形式建模波传播与散射，实现对单色和宽带条件下异常效应的定量分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于矩阵的方法是否能够超越传统波束成形，在超声成像中实现对异常的更优量化？
• RQ2 多次散射和电子噪声在多大程度上影响现有聚焦质量度量（如相干性因子）的准确性？
• RQ3 能否从聚焦反射矩阵的单次散射分量中提取一种新度量，以实现对聚焦质量更鲁棒、更高分辨率的评估？
• RQ4 在存在多次散射和噪声的情况下，F因子相较于相干性因子的性能提升程度如何？
• RQ5 该方法是否能够实现对软组织中声速与散射特性的定量表征？

主要发现

• F因子基于聚焦反射矩阵的单次散射分量，提供了一种对多次散射和噪声具有鲁棒性的聚焦质量准确度量。
• F因子实现了高横向分辨率的聚焦质量映射，其空间分辨率和对比度显著优于相干性因子。
• 时频分析成功实现了对聚焦反射矩阵中单次散射、多次散射和噪声贡献的分离与量化。
• 在仿真中，F因子能够准确追踪不同声速分布下的异常水平，证明其对波前畸变具有高灵敏度。
• 在人体牛腿组织的离体应用中，F因子图揭示了与组织异质性一致的空间变化异常模式，验证了其临床相关性。
• 该方法可测量每个像素处的非相干输入-输出点扩散函数，为图像退化机制提供了新见解。