新しい放射基底関数2D補間に基づく時間効率的な超音波局在顕微鏡法

医学 基礎医学 医用画像学
超音波 局在顕微鏡 放射基底関数 時間効率的 2D補間 高解像度画像

全新径状基関数に基づく2D補間の時間効率の良い超音波局所顕微技術

はじめに

超音波位置決め顕微鏡の主要な作業フロー 超音波技術は主要な医学画像技術の一つであり、その安全性、コスト効果、および非侵襲性から、器官、筋肉、動脈などの皮下構造の可視化に広く利用されています。しかし、従来の超音波画像の性能は回折限界に制約され、そのため空間分解能が限られています。周波数が上がると空間分解能が改善されますが、ビームの貫通深度が減少し、空間分解能と貫通深度の間にトレードオフが生じます。

過去10年間で、超音波位置決め顕微技術（ULM, Ultrasound Localization Microscopy）は、このトレードオフの問題を解決しました。ULMは、静脈内注射されたマイクロバブル（MBs, Microbubbles）を正確に位置決めすることで超高分解能（SR, Super-Resolved）画像を生成します。これらのSR画像は、癌、脳卒中、動脈硬化など血管構造や血流に影響を与える様々な病気の理解と診断に不可欠な情報を提供します。しかし、現在のULMの臨床応用には、低密度のマイクロバブルや長時間のデータ取得、高フレームレートの必要性という2つの主要な障壁があります。

データ取得時間を短縮し、臨床応用可能性を高めるため、本研究では全新径状基関数（RBF, Radial Basis Functions）に基づく2D補間の時間効率の良い超音波局所顕微技術（teUlm）を提案します。この技術は、超高分解能画像を取得する際の高フレームレートの必要性を2D補間によって低減することを目指しています。本稿では、複数の体内データセットで本技術の有効性を検証します。

研究出典

本稿は以下の著者によって共同執筆されました： - Giulia Tuccio（学生会員, IEEE） - Sajjad Afrakhteh - Giovanni Iacca（シニア会員, IEEE） - Libertario Demi（シニア会員, IEEE）

本論文は2024年5月にIEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 43, No. 5に発表されました。

研究フロー

a）研究作業フロー

  1. データ取得：まず、高フレームレートのULMデータにダウンサンプリング（DS = 2, 4, 8, 10）を適用して低フレームレートのデータ取得をシミュレートします。

  2. データ補間：提案された2次元径状基関数（RBF）補間法でデータをアップサンプリングし、失われたフレームを再構築します。

  3. 前処理とフィルタリング：前処理は特異値分解（SVD）空間-時間フィルターを使用してマイクロバブル信号と周囲組織信号を区別します。

  4. マイクロバブルの検出と位置決め：高強度ピクセル値に基づいてマイクロバブルを検出し、2D多変量ガウス分布法を使用して位置を特定します。

  5. マイクロバブルの追跡と蓄積：修正された二部追跡アルゴリズムを使用してマイクロバブルのフレーム間対を行い、最終的に超高分解能画像を取得します。

b）主要研究結果

  1. データセット：4つの体内データセット（A：ラットの脳；B：ラットの腎臓；C：ラットの腫瘍；D：ラットの脳栓剤）を用いてteULMの有効性を検証しました。

  2. 結果評価：teULMと標準ULMによって得られたSR画像を比較し、teULMが低フレームレート（例えば100Hz）でも血管構造を効果的に再現できることを確認しました。複数の評価指標（ルート平均二乗誤差RMSE、Dice係数、軌跡保持率、飽和度）を用いて結果を定量評価しました。

  3. 補間法の有効性：データの欠損を補完する目的を達成し、特に高いダウンサンプリング率（DS=10）で有効性を示しました。

c）結論

研究により、teULMは標準ULMに比べて1桁低いデータ取得フレームレート（1kHzから約50Hz）であっても正確なSR画像を生成できることが示されました。この技術は、標準的な臨床デバイスのフレームレートが低いため、超音波位置決め顕微技術の臨床応用に役立つことが示唆されました。結果は、サンプリングレートが50Hzに低下しても、高品質のSR密度マップを生成できることを確認しました。ただし、一貫した速度マップを生成するには、わずかに高いフレームレート（250Hz）が必要です。

d）研究のハイライト

  • 革新的手法：径状基関数に基づく2D補間のteULMパイプラインを提案し、超高分解能画像取得のための高フレームレートの必要性を大幅に低減しました。
  • 広範な検証：複数の体内データセットで新手法の有効性を確認し、複雑な生理構造への応用可能性を示しました。
  • 多重評価指標：RMSE、Dice係数、軌跡保持率、飽和度など複数の指標を使用して、新手法の効果を全面的に評価および検証しました。

e）その他の有益な情報

  • 研究の限界：本論文では2Dデータセットのみをテストしました。将来的には3Dデータセットに拡大し、臨床応用をさらに促進することが期待されます。
  • 動きの影響未検討：より高いダウンサンプリング率では、動きにより信号経路および目標位置決めに誤差が生じる可能性があります。今後の研究では動き補償技術を導入することを考慮すべきです。

結論

本稿で提案した時間効率の良い超音波局所顕微技術は、データ取得フレームレートの低下によって超高分解能画像を生成することが可能であることを示しました。結果は、フレームレートが50Hzに低下しても高品質のSR密度マップを生成できることを確認しました。流速推定に関しては、さらなる改良が必要ですが、この研究は超音波局所顕微技術の臨床移行に重要な基盤を提供するものです。