跳到主要内容

话题

诊断成像

诊断成像

超声波CT提供骨髓微观结构的详细图像

01 Feb 2021 Tami Freeman.
复旦大学队伍队
复旦大学的研究人员正在开发一种重建算法,可以使用超声波计算机断层扫描来定量骨骼成像。 (礼貌:Dean Ta)

骨质疏松症是一种骨病,其特征在于骨量损失和增加的骨孔隙率。这种弱化的骨骼更容易骨折,定期监测和早期诊断骨病必不可少。

用于评估骨骼状态的金标准是双能X射线吸收术(DXA),其测量骨密度密度。但DXA不适合量化其他关键机械参数。相反,超声成像可以发挥至关重要的作用,具有超声计算机断层扫描(USCT)的技术,能够表征骨微观结构和生物力学性质,以及廉价且不电离。

研究人员 复旦大学 在中国提出了一种重建算法,其能够使用USCT实现定量骨骼成像。写作 中国物理B.,它们展示了使用一系列越来越复杂的骨模型的提出方法的性能。

迭代方法

在具有超声波成像骨骼的主要挑战是,骨骼中的声速与周围软组织的声速显着不同;但常见的医疗超声技术假设均匀的声速。因此,这种方法不能准确地映像不规则的骨软组织边界,而无需先验知识的声速分布。

“传统的超声波B模式成像在使用均匀声速假设的成像生物硬组织和骨骼中具有固有的局限性,”研究人员解释说明 迪恩塔 。 “USCT提供了一个有前途的替代方案。特别是,具有全波形反演的USCT显示了高分辨率骨骼成像的潜力。“

全波形反转(FWI)是最初为地球物理开发的图像重建算法。在本研究中,TA和同事采用频域FWI(FDFWI),通过最小化测量和数值模拟信号之间的不匹配来重建参数图像的逆处理。当与USCT一起使用时,FDFWI算法迭代地更新骨材料参数 - 声速和质量密度 - 在模拟模型中,直到它到达最佳匹配。

该算法通过计算逐渐增加超声频率的参数来解决逆问题,然后使用最终值来创建定量骨图像。 “FWI从相对低的频率开始,以避免”循环跳跃“并确保迭代未被捕获在局部最小值,”TA解释。 “通过逐渐增加到高频,可以获得骨骼结构的高分辨率反转。”

从理论上讲,使用2.5MHz的最大频率,FDFWI可以在骨组织中的图像和小腹部图像,其空间分辨率约为0.6毫米。

计算模型

为了展示其方法的有效性,研究人员通过FDFWI使用环形阵列超声换能器估计参数骨图像。他们首先使用FDFWI建模了具有已知质量密度的简单的2mm厚的管状骨模型,以估计声速。在仿真期间,超声频率在100kHz步骤中从100kHz增加到3.5 MHz。

随着频率达到1.5MHz,可以观察到幻像的外边缘和内边缘。在2.5 MHz,图像更加清晰,少数人工制品,表明FDFWI可以准确地恢复宏观形态。将频率提高到3.5 MHz几乎没有进一步改善。

接下来,研究人员建模了一个远端腓骨(小腿骨)。在这里,它们使用FDFWI算法同时估计声速和质量密度,使用从100kHz到3.5 MHz的超声频率在50 kHz步骤中。他们注意到,使用该较小的间隔确保足够的低频分量来重建质量密度。

随着频率逐渐增加到1.5MHz,速度图的外边缘和内边缘都被精确地回收,并且可以清楚地看到骨中的微观结构。在2.5 MHz,速度图变得更加清晰,出现了一些更细微的功能,表明FDFWI可以准确地恢复几何形状和微观结构并提供高分辨率的骨图像。

第三数值模型使用了来自高分辨率外围定量CT图像的远端胫骨 - 腓骨对模型。 FDFWI算法在50 kHz步骤中使用了从100 kHz到2.5 MHz的超声频率。即使在这个具有挑战性的情况下,FDFWI也重建了宏观形态和亚毫米分辨率的微观结构。与真正的CT图像相比,模拟清晰准确地呈现骨骼图像中的毛孔和小腹部。

研究人员注意到密度图的重建不如速度图的重建。声速和质量密度的重建误差大于单个腓骨模型中的出现,其归因于两种骨骼之间的多个散射和衍射效应。

最后,为了调查FDFWI对噪声的鲁棒性,团队将随机噪声添加到胫骨对对中产生的合成数据,以产生具有30,10和0 dB的信噪比的情况。他们发现在存在噪声的情况下仍然可以康复到声速图。即使在0dB情况下,也可以重建骨几何和一些相对较大的微结构。

下一步是使用实验而不是合成数据验证该方法的有效性。 “我们正试图对全波形反转进行肌肉骨骼系统成像的主题进行实验研究,”TA告诉 物理世界 .

相关事件

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者