Tumor Detection and Classification using QUS Technology's Structure Function

使用QUS技术的结构功能进行肿瘤检测和分类

基本信息

项目摘要

Project Summary Our collaborative basic science and clinical team will elucidate the mechanism(s) of ultrasound scattering in biological tissues by systematically studying a significant component of ultrasonic scattering, the structure function (SF), using solid tumors from animal models and hepatocellular carcinoma (HCC) in adult human subjects, and thereby improve the accuracy of Quantitative Ultrasound (QUS, the quantification of tissue microstructure) techniques in noninvasive tumor detection and classification. The SF concept arises in the context of wave scattering: the scattered power of a collection of scatterers depends not only on the properties of the individual scatterers (modeled by the form factor), but also on the spatial correlation among the scatterers (modeled by the SF). Structure function is new: The SF has largely been overlooked wherein the scatterer positions are assumed to be uncorrelated (i.e., SF is unity). The unity SF assumption is not appropriate for dense scattering media (e.g., solid tumors and most parenchymal tissues) or sparse media showing special patterns of scatterer distribution. Non-unity SF has mostly been studied on simple scattering media such as physical phantoms and blood. This investigation is new, and numerous basic science and technical innovations will be pursued. Our goal is to systematically study the SF using animal solid tumors and human liver and HCC data to improve ultrasonic scattering models and ultimately the diagnostic value of QUS outcomes. The research makes contributions at the basic science level to elucidate the scattering mechanisms by SF model development and validate using animal tumor models in vivo, and at the translational level to improve the accuracy of tumor detection/classification using human liver and HCC data. Central hypotheses and aims: 1) The SF is critical to elucidate ultrasonic scattering mechanism(s) in biological tissues. 2) The SF is sensitive to certain disease types and stages. 3) The accuracy of QUS to noninvasively detect/classify tissues/tumors in vivo will be significantly improved when the SF is utilized compared to when it is not utilized. To test these hypotheses, we have designed a research program with the following aims: Aim 1. Develop theoretical SF models that match scatterer spatial distributions of tumor/tissue types under investigation. Aim 2. Validate SF models using solid tumors in mice/rats. Aim 3. Test the diagnostic value of SF using clinical human liver data from 100 nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) participants, 150 cirrhotic participants, 50 HCC participants, and 150 normal participants. Summary/Impact: The SF is an ultrasound echo component that is determined by and sensitive to the architectural pattern of tissue microstructure (e.g., liver cell nuclei). The SF will be a clinically valuable imaging biomarker for disease diagnosis because many disease processes (e.g., HCC) remarkably change to a unique architectural pattern and consequently change the SF derived from the ultrasound signal.
项目概要 我们的合作基础科学和临床团队将阐明超声波散射的机制 通过系统地研究超声波散射的一个重要组成部分,结构来研究生物组织 功能(SF),使用来自动物模型的实体瘤和成人肝细胞癌(HCC) 受试者,从而提高定量超声(QUS,组织定量)的准确性 微观结构)技术在非侵入性肿瘤检测和分类中的应用。 SF 概念的出现 波散射的背景:散射体集合的散射功率不仅取决于 各个散射体的属性(通过形状因子建模),而且还取决于它们之间的空间相关性 散射体(由 SF 建模)。 结构函数是新的:SF 在很大程度上被忽视,其中散射体位置是 假设不相关(即 SF 是统一的)。统一 SF 假设不适用于密集 散射介质(例如实体瘤和大多数实质组织)或稀疏介质显示出特殊的 散射体分布模式。非统一SF主要在简单散射介质上进行研究,例如 物理幻影和血液。这项调查是新的,并且有大量的基础科学和技术 将追求创新。我们的目标是利用动物实体瘤和人类实体瘤系统地研究 SF 肝脏和 HCC 数据可改进超声散射模型并最终提高 QUS 的诊断价值 结果。该研究在基础科学层面为阐明散射做出了贡献 通过 SF 模型开发并使用体内动物肿瘤模型进行验证,并在 翻译水平,以提高使用人类肝脏和 HCC 数据进行肿瘤检测/分类的准确性。 中心假设和目标:1) SF 对于阐明超声散射机制至关重要 在生物组织中。 2) SF对某些疾病类型和阶段敏感。 3) QUS 的准确度 当使用 SF 时,体内组织/肿瘤的无创检测/分类将得到显着改善 与未使用时相比。为了检验这些假设,我们设计了一个研究计划 以下目标: 目标 1. 开发与散射体空间分布相匹配的理论 SF 模型 正在研究的肿瘤/组织类型。目标 2. 使用小鼠/大鼠实体瘤验证 SF 模型。目标3。 使用 100 例非酒精性脂肪肝的临床人体肝脏数据测试 SF 的诊断价值 (NAFLD) 参与者、150 名肝硬化参与者、50 名 HCC 参与者和 150 名正常参与者。 摘要/影响:SF 是一种超声回波分量,由以下因素决定并对以下因素敏感: 组织微观结构的结构模式(例如肝细胞核)。 SF 将具有临床价值 用于疾病诊断的成像生物标志物,因为许多疾病过程(例如 HCC)会发生显着变化 形成独特的架构模式,从而改变从超声信号导出的 SF。

项目成果

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William D. O'Brien其他文献

The role of ultrasound operation mode for safely interfering in the heart rate
超声操作模式对安全干扰心率的作用
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  • 通讯作者:
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  • 作者:
    William D. O'Brien;Scott J. Januzik;Floyd Dunn
  • 通讯作者:
    Floyd Dunn
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  • 通讯作者:
    J. Zachary

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