Deconvolution and elastography based on dimensional ultrasound

This paper is in two parts and addresses two of getting more information out of the RF signal from three-dimensional (3D) mechanically-swept medical ultrasound . The first topic is the use of non-blind deconvolution improve the clarity of the data, particularly in the direction to the individual B-scans. The second topic is imaging. We present a robust and efficient approach to estimation and display of axial strain information. deconvolution, we calculate an estimate of the point-spread at each depth in the image using Field II. This is used as of an Expectation Maximisation (EM) framework in which ultrasound scatterer field is modelled as the product of (a) a smooth function and (b) a fine-grain varying function. the E step, a Wiener filter is used to estimate the scatterer based on an assumed piecewise smooth component. In the M , wavelet de-noising is used to estimate the piecewise smooth from the scatterer field. strain imaging, we use a quasi-static approach with efficient based algorithms. Our contributions lie in robust and 3D displacement tracking, point-wise quality-weighted , and a stable display that shows not only strain but an indication of the quality of the data at each point in the . This enables clinicians to see where the strain estimate is and where it is mostly noise. deconvolution, we present in-vivo images and simulations quantitative performance measures. With the blurred 3D taken as OdB, we get an improvement in signal to noise ratio 4.6dB with a Wiener filter alone, 4.36dB with the ForWaRD and S.18dB with our EM algorithm. For strain imaging show images based on 2D and 3D data and describe how full D analysis can be performed in about 20 seconds on a typical . We will also present initial results of our clinical study to explore the applications of our system in our local hospital. © 2008 IEEE.

EVALUATION OF HARMONIC MOTION ELASTOGRAPHY AND ACOUSTO-­OPTIC IMAGING FOR MONITORING LESION FORMATION BY HIGH INTENSITY FOCUSED ULTRASOUND

Malignant or benign tumors may be ablated with high‐intensity focused ultrasound (HIFU). This technique, known as focused ultrasound surgery (FUS), has been actively investigated for decades, but slow to be implemented and difficult to control due to lack of real‐time feedback during ablation. Two methods of imaging and monitoring HIFU lesions during formation were implemented simultaneously, in order to investigate the efficacy of each and to increase confidence in the detection of the lesion. The first, Acousto‐Optic Imaging (AOI) detects the increasing optical absorption and scattering in the lesion. The intensity of a diffuse optical field in illuminated tissue is mapped at the spatial resolution of an ultrasound focal spot, using the acousto‐optic effect. The second, Harmonic Motion Imaging (HMI), detects the changing stiffness in the lesion. The HIFU beam is modulated to force oscillatory motion in the tissue, and the amplitude of this motion, measured by ultrasound pulse‐echo techniques, is influenced by the stiffness. Experiments were performed on store‐bought chicken breast and freshly slaughtered bovine liver. The AOI results correlated with the onset and relative size of forming lesions much better than prior knowledge of the HIFU power and duration. For HMI, a significant artifact was discovered due to acoustic nonlinearity. The artifact was mitigated by adjusting the phase of the HIFU and imaging pulses. A more detailed model of the HMI process than previously published was made using finite element analysis. The model showed that the amplitude of harmonic motion was primarily affected by increases in acoustic attenuation and stiffness as the lesion formed and the interaction of these effects was complex and often counteracted each other. Further biological variability in tissue properties meant that changes in motion were masked by sample‐to‐sample variation. The HMI experiments predicted lesion formation in only about a quarter of the lesions made. In simultaneous AOI/HMI experiments it appeared that AOI was a more robust method for lesion detection.

In vivo visualization of abdominal malignancies with acoustic radiation force elastography.

The utility of acoustic radiation force impulse (ARFI) imaging for real-time visualization of abdominal malignancies was investigated. Nine patients presenting with suspicious masses in the liver (n = 7) or kidney (n = 2) underwent combined sonography/ARFI imaging. Images were acquired of a total of 12 tumors in the nine patients. In all cases, boundary definition in ARFI images was improved or equivalent to boundary definition in B-mode images. Displacement contrast in ARFI images was superior to echo contrast in B-mode images for each tumor. The mean contrast for suspected hepatocellular carcinomas (HCCs) in B-mode images was 2.9 dB (range: 1.5-4.2) versus 7.5 dB (range: 3.1-11.9) in ARFI images, with all HCCs appearing more compliant than regional cirrhotic liver parenchyma. The mean contrast for metastases in B-mode images was 3.1 dB (range: 1.2-5.2) versus 9.3 dB (range: 5.7-13.9) in ARFI images, with all masses appearing less compliant than regional non-cirrhotic liver parenchyma. ARFI image contrast (10.4 dB) was superior to B-mode contrast (0.9 dB) for a renal mass. To our knowledge, we present the first in vivo images of abdominal malignancies in humans acquired with the ARFI method or any other technique of imaging tissue elasticity.

In vivo guidance and assessment of liver radio-frequency ablation with acoustic radiation force elastography.

The initial results from clinical trials investigating the utility of acoustic radiation force impulse (ARFI) imaging for use with radio-frequency ablation (RFA) procedures in the liver are presented. To date, data have been collected from 6 RFA procedures in 5 unique patients. Large displacement contrast was observed in ARFI images of both pre-ablation malignancies (mean 7.5 dB, range 5.7-11.9 dB) and post-ablation thermal lesions (mean 6.2 dB, range 5.1-7.5 dB). In general, ARFI images provided superior boundary definition of structures relative to the use of conventional sonography alone. Although further investigations are required, initial results are encouraging and demonstrate the clinical promise of the ARFI method for use in many stages of RFA procedures.

Characterization of Carotid Plaques with Ultrasound Non-Invasive Vascular Elastography (NIVE) : Feasibility and Correlation with High-Resolution Magnetic Resonance Imaging

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une cause principale de décès et de morbidité dans le monde; une bonne partie des AVC est causée par la plaque d’athérosclérose carotidienne. La prévention de l’AVC chez les patients ayant une plaque carotidienne demeure controversée, vu les risques et bénéfices ambigus associés au traitement chirurgical ou médical. Plusieurs méthodes d’imagerie ont été développées afin d’étudier la plaque vulnérable (dont le risque est élevé), mais aucune n’est suffisamment validée ou accessible pour permettre une utilisation comme outil de dépistage. L’élastographie non-invasive vasculaire (NIVE) est une technique nouvelle qui cartographie les déformations (élasticité) de la plaque afin de détecter les plaque vulnérables; cette technique n’est pas encore validée cliniquement. Le but de ce projet est d’évaluer la capacité de NIVE de caractériser la composition de la plaque et sa vulnérabilité in vivo chez des patients ayant des plaques sévères carotidiennes, en utilisant comme étalon de référence, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute-résolution. Afin de poursuivre cette étude, une connaissance accrue de l’AVC, l’athérosclérose, la plaque vulnérable, ainsi que des techniques actuelles d’imagerie de la plaque carotidienne, est requise. Trente-et-un sujets ont été examinés par NIVE par ultrasonographie et IRM à haute-résolution. Sur 31 plaques, 9 étaient symptomatiques, 17 contenaient des lipides, et 7 étaient vulnérables selon l’IRM. Les déformations étaient significativement plus petites chez les plaques contenant des lipides, avec une sensibilité élevée et une spécificité modérée. Une association quadratique entre la déformation et la quantité de lipide a été trouvée. Les déformations ne pouvaient pas distinguer les plaques vulnérables ou symptomatiques. En conclusion, NIVE par ultrasonographie est faisable chez des patients ayant des sténoses carotidiennes significatives et peut détecter la présence d’un coeur lipidique. Des études supplémentaires de progression de la plaque avec NIVE sont requises afin d’identifier les plaques vulnérables.

Abdominal aortic aneurysm follow-up after endovascular repair in a canine model with non-invasive vascular elastography

Le traitement chirurgical des anévrismes de l'aorte abdominale est de plus en plus remplacé par la réparation endovasculaire de l’anévrisme (« endovascular aneurysm repair », EVAR) en utilisant des endoprothèses (« stent-grafts », SGs). Cependant, l'efficacité de cette approche moins invasive est compromise par l'incidence de l'écoulement persistant dans l'anévrisme, appelé endofuites menant à une rupture d'anévrisme si elle n'est pas détectée. Par conséquent, une surveillance de longue durée par tomodensitométrie sur une base annuelle est nécessaire ce qui augmente le coût de la procédure EVAR, exposant le patient à un rayonnement ionisants et un agent de contraste néphrotoxique. Le mécanisme de rupture d'anévrisme secondaire à l'endofuite est lié à une pression du sac de l'anévrisme proche de la pression systémique. Il existe une relation entre la contraction ou l'expansion du sac et la pressurisation du sac. La pressurisation résiduelle de l'anévrisme aortique abdominale va induire une pulsation et une circulation sanguine à l'intérieur du sac empêchant ainsi la thrombose du sac et la guérison de l'anévrisme. L'élastographie vasculaire non-invasive (« non-invasive vascular elastography », NIVE) utilisant le « Lagrangian Speckle Model Estimator » (LSME) peut devenir une technique d'imagerie complémentaire pour le suivi des anévrismes après réparation endovasculaire. NIVE a la capacité de fournir des informations importantes sur l'organisation d'un thrombus dans le sac de l'anévrisme et sur la détection des endofuites. La caractérisation de l'organisation d'un thrombus n'a pas été possible dans une étude NIVE précédente. Une limitation de cette étude était l'absence d'examen tomodensitométrique comme étalon-or pour le diagnostic d'endofuites. Nous avons cherché à appliquer et optimiser la technique NIVE pour le suivi des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) après EVAR avec endoprothèse dans un modèle canin dans le but de détecter et caractériser les endofuites et l'organisation du thrombus. Des SGs ont été implantés dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé dans l'aorte abdominale. Des endofuites de type I ont été créés dans 4 anévrismes, de type II dans 13 anévrismes tandis qu’un anévrisme n’avait aucune endofuite. L'échographie Doppler (« Doppler ultrasound », DUS) et les examens NIVE ont été réalisés avant puis à 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après l’EVAR. Une angiographie, une tomodensitométrie et des coupes macroscopiques ont été réalisées au moment du sacrifice. Les valeurs de contrainte ont été calculées en utilisant l`algorithme LSME. Les régions d'endofuite, de thrombus frais (non organisé) et de thrombus solide (organisé) ont été identifiées et segmentées en comparant les résultats de la tomodensitométrie et de l’étude macroscopique. Les valeurs de contrainte dans les zones avec endofuite, thrombus frais et organisé ont été comparées. Les valeurs de contrainte étaient significativement différentes entre les zones d'endofuites, les zones de thrombus frais ou organisé et entre les zones de thrombus frais et organisé. Toutes les endofuites ont été clairement caractérisées par les examens d'élastographie. Aucune corrélation n'a été trouvée entre les valeurs de contrainte et le type d'endofuite, la pression de sac, la taille des endofuites et la taille de l'anévrisme.

ARFI elastography as a complementary diagnostic method for mammary neoplasia in female dogs - preliminary results

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Doppler and Elastography as complementary diagnostic methods for mammary neoplasms in female cats

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Acoustic radiation force impulse elastography of the spleen in healthy dogs of different ages

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Acoustic radiation force impulse elastography of prostate and testes of healthy dogs: preliminary results

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Acoustic radiation force impulse (ARFI) elastography of the spleen in healthy adult cats - a preliminary study

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Quantitative assessment of oral orbicular muscle deformation after cleft lip reconstruction: an ultrasound elastography study

Reconstruction of a cleft lip leads inevitably to scar tissue formation. Scar tissue within the restored oral orbicular muscle might be assessed by quantification of the local contractility of this muscle. Furthermore, information about the contraction capability of the oral orbicular muscle is crucial for planning the revision surgery of an individual patient. We used ultrasound elastography to determine the local deformation (strain) of the upper lip and to differentiate contracting muscle from passive scar tissue. Raw ultrasound data (radio-frequency format; rf-) were acquired, while the lips were brought from normal state into a pout condition and back in normal state, in three patients and three normal individuals. During this movement, the oral orbicular muscle contracts and, consequently, thickens in contrast to scar tissue that will not contract, or even expand. An iterative coarse-to-fine strain estimation method was used to calculate the local tissue strain. Analysis of the raw ultrasound data allows estimation of tissue strain with a high precision. The minimum strain that can be assessed reproducibly is 0.1%. In normal individuals, strain of the orbicular oral muscle was in the order of 20%. Also, a uniform strain distribution in the oral orbicular muscle was found. However, in patients deviating values were found in the region of the reconstruction and the muscle tissue surrounding that. In two patients with a successful reconstruction, strain was reduced by 6% in the reconstructed region with respect to the normal parts of the muscle (from 22% to 16% and from 25% to 19%). In a patient with severe aesthetical and functional disability, strain decreased from 30% in the normal region to 5% in the reconstructed region. With ultrasound elastography, the strain of the oral orbicular muscle can be quantified. In healthy subjects, the strain profiles and maximum strain values in all parts of the muscle were similar. The maximum strain of the muscle during pout was 20% +/- 1%. In surgically repaired cleft lips, decreased deformation was observed.