Quantitative volumetric ultrasonic and photoacoustic tomography

定量体积超声和光声断层扫描

基本信息

  • 批准号:
    10374704
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 61.98万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-12-15 至 2026-11-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Abstract Our central goal is to create a volumetric real-time system combining ultrasound (US) and photoacoustic (PA) tomography (USPAT) for high resolution structural and functional imaging. The recent development of high channel count ultrafast US systems creates the opportunity to capture volumes at a high frame rate. Tomography, defined as a technique for displaying a representation of a cross section through a human body, facilitates high resolution (lamba/2) imaging by effectively rotating the US point spread function to reduce the effect of diffraction. We have developed an ultrafast US capability mated to a tomographic ring of transducers and scanned in depth by motorized acquisition. Leveraging the ultrafast capability provides the opportunity for acquisition of volumetric, functional breast images within 1 minute. The acquisition is controlled by 1024 coherent channels of Verasonics imaging systems (to be increased to 2048) and includes embedded GPUs for real-time imaging and analysis. When operated at 5 MHz, the resulting spatial resolution is nearly isotropic in plane with resolution of ~ half a wavelength (in this case ~150 microns). Compared to US images acquired with conventional imaging, the image quality is far improved. Ultrasound methods are attractive for integration into breast management due to their utility in guiding biopsy and the very high sensitivity (97.3%) that can be achieve by combining ultrasound with conventional screening. Both transmission and reflection tomography modes will be evaluated in order to facilitate both high resolution reflective modes and highly quantitative transmission imaging. PA imaging (PAI) is particularly well suited to complement US and improve diagnostic imaging of the breast. Our immediate goal is to reduce the number of biopsies required in women undergoing breast screening. Photoacoustic tomography (PAT) enhances the signal to noise ratio and visualization of morphology over conventional PAI. Healthy breast tissue has low optical absorption and US scattering, allowing for highly efficient PAT. Since abnormally increased vasculature and hemoglobin at tumor sites produces strong intrinsic photoacoustic contrast, PAT is ideally suited for visualizing angiogenesis. Further, PAT can assess the relative oxygenation of a region. With our combined strategy, we will evaluate characterization algorithms based on each feature – blood flow, oxygenation and structural changes, assessing the sensitivity of individual and combined imaging features. With a first study of this technique in a mouse model of premalignant to malignant transformation and a human study of lesion characterization, we will determine whether USPAT can add to the sensitivity and specificity of lesion characterization by MRI. Our resulting specific aims are to: 1) implement and integrate blood mapping, US tomography, and PAT for breast imaging, 2) assess the sensitivity and specificity of the resulting system in a rodent model of breast cancer, and 3) apply these new capabilities to image patients with MRI detected abnormalities recommended for biopsy.
抽象的 我们的核心目标是创建一个结合超声(US)和光声(PA)的体积实时系统 层析成像(USPAT)用于高分辨率结构和功能成像。最新发展 频道计数超快美国系统创造了以高帧速率捕获量的机会。 断层扫描,定义为一种通过人体显示横截面表示的技术, 通过有效旋转美国点扩散函数来促进高分辨率(lamba/2)成像 衍射的影响。我们已经开发了一个超快的能力伴侣,使换能器的层析环 并通过电动采购深入扫描。利用超快功能为 在1分钟内获取体积,功能性乳房图像。收购由1024 CORERENT控制 Verasonics成像系统的渠道(要增加到2048年),并包括实时的嵌入式GPU 成像和分析。当以5 MHz运行时,由此产生的空间分辨率几乎是平面的各向同性的 分辨率为一半波长(在这种情况下为〜150微米)。与我们获得的图像相比 传统的成像,图像质量得到了远远提高。超声方法对于集成到 乳房管理由于其实用性指导活检和高度 可以实现的灵敏度(97.3%) 通过将超声与常规筛选结合在一起。 传输和反射层析成像模式都将 进行评估以促进高分辨率反射模式和高度定量的传播 成像。 PA成像(PAI)特别适合完成我们并改善对 胸部。我们的近期目标是减少接受乳房筛查的妇女所需的活检数量。 光声断层扫描(PAT)增强了信号与噪声比和形态的可视化相比 常规pai。健康的乳腺组织的光学滥用较低和美国散射,可以高效 拍。由于绝对增加了肿瘤部位的脉管系统和血红蛋白会产生强大的内在性 光声对比,PAT非常适合可视化血管生成。此外,PAT可以评估亲戚 区域的氧合。通过我们的合并策略,我们将根据基于 每个特征 - 血流,氧合和结构变化,评估个体的灵敏度和 组合成像功能。首次研究该技术在恶性前的小鼠模型中 转化和人类对病变表征的研究,我们将确定USPAT是否可以添加到 MRI的病变表征的敏感性和特异性。我们由此产生的具体目的是:1)实施和 综合鲜血映射,美国层析成像和用于乳房成像的PAT,2)评估敏感性和特异性 在啮齿动物模型中所产生的系统的乳腺癌模型,3)应用这些新功能来对患者进行成像 在MRI检测到的异常情况下,建议进行活检。

项目成果

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