Real-time Triple-modal Photoacoustic, Ultrasound, and Magnetic Resonance Fusion Imaging

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Photoacoustic (PA) imaging is a hybrid imaging tool that combines optical and acoustic characteristics. Its principle is physically based on the PA effect that converts the absorbed optical energy to acoustic waves. PA imaging can provide functional, metabolic, and hemodynamic information such as total hemoglobin concentration, blood oxygenation, blood flow, temperature measurement, and angiogenesis. Additionally, PA imaging is non-invasive, free of radiation exposure, and capable of real-time imaging. These advantages make PA imaging a promising imaging tool for biomedical applications such as diagnosis, staging, and monitoring of cancer or other diseases. Several PA imaging systems for clinical uses have been developed based on the clinical ultrasound (US) imaging platform. Because PA and US imaging can represent anatomical and physiological properties of targets, dual-modal PA/US imaging can be applied to existing or extended clinical areas of US imaging. Especially during surgery, the combination of real-time US imaging and pre-acquired magnetic resonance (MR) imaging is widely used as image guidance. However, US imaging is primarily specialized for structural imaging and Doppler US imaging has relatively low sensitivity compared to PA imaging.
Thus, a triple-modal PA, US, and MR fusion imaging is introduced in this dissertation. This fusion imaging can be achieved by combining a real-time clinical PA/US imaging system with a navigation sub-system that uses optical tracking. Overlaid PA, US, and MR images are acquired by real-time registration of pre-acquired MR images and real-time PA/US images. Registration accuracy is tested, then the PA/US/MR fusion images are acquired from a phantom in vitro, and from blood vessels of a human forearm in vivo. This fusion imaging visualizes anatomical and vascular structure of targets in real time, offers an intuitive user interface, and is easily adaptable to clinical environments. Triple-modal PA/US/MR imaging has potential to provide complementary image guidance in various surgeries. Ultimately, by exploring fusion imaging based on the PA/US imaging, the dissertation can complement the conventional US/MR fusion imaging and further extend the clinical approach of PA/US imaging platforms.

국문 초록 (Abstract)

광음향 (photoacoustic) 영상은 광학 영상과 및 초음파 영상의 특성을 결합한 융합 영상 방법이다. 광음향 영상의 원리는 흡수된 빛 에너지를 초음파로 변환시키는 광음향 효과에 기반한다. 광음향 영상은 헤모글로빈 농도, 혈중 산소포화도, 혈류, 온도 측정, 혈관신생 등의 기능적, 대사적, 혈역학적 정보를 제공한다. 또한, 광음향 영상은 비침습적이고 방사선 노출이 없으며 실시간 영상이 가능하다. 이러한 장점으로 인해 광음향 영상은 암과 다양한 질병의 진단, 병기 결정, 모니터링과 같은 생체 의료 분야에서 유망한 영상 방법이다. 임상 적용을 위한 여러가지 광음향 영상 장비가 임상용 초음파 영상 장비를 기반으로 하여 개발되고 있다. 광음향 및 초음파 이중 모드 융합 영상은 대상의 해부학적 및 생리학적 특성을 동시에 나타낼 수 있기 때문에, 초음파 영상의 기존의 혹은 확장된 임상 영역에 적용될 수 있다. 특히 실시간 초음파 영상과 사전에 획득한 자기 공명 영상 간의 융합은 수술 중 영상 유도 방법으로 널리 사용된다. 그러나 초음파 영상은 주로 구조적 영상만을 제공하며, 도플러 (Doppler) 초음파 영상은 혈관 영상에 있어 광음향 영상에 비해 상대적으로 낮은 민감도를 가진다.
따라서, 본 연구에서는 삼중 모드 광음향, 초음파 및 자기 공명 융합 영상을 소개한다. 본 융합 영상은 실시간 임상용 광음향 및 초음파 영상 장비와 광학적 추적 기반의 항법 장치를 결합하여 얻을 수 있다. 광음향, 초음파 및 자기 공명 융합 영상은 사전에 획득한 자기 공명 영상과 실시간으로 얻은 광음향 및 초음파 영상 간의 실시간 영상 정합으로 얻을 수 있다. 먼저 영상 정합의 정확도를 검증한 뒤, 생체 모사 팬텀과 사람 팔 혈관의 광음향, 초음파 및 자기 공명 융합 영상을 획득하였다. 본 융합 영상은 실시간으로 대상의 해부학적 구조와 혈관 구조를 보여주고, 직관적인 사용자 인터페이스를 제공하며, 임상 환경에 쉽게 적용할 수 있다. 이를 통해 삼중 모드 광음향, 초음파 및 자기 공명 융합 영상은 다양한 수술 분야에서 상호 보완적인 영상 유도를 제공할 수 있다. 최종적으로, 본 연구에서는 광음향 및 초음파 융합 영상을 기반으로 한 융합 영상을 개발함으로써 기존의 초음파 및 자기 공명 융합 영상을 보완하고, 더 나아가 광음향 및 초음파 융합 영상의 임상적 접근 범위를 확장할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1. Motivation 1
• 1.2. Background 3
• 1.3. Scope of the dissertation 6
• II. Real-time triple-modal photoacoustic, ultrasound, and magnetic resonance fusion imaging 7
• 2.1. Introduction 7
• 2.2. Clinical photoacoustic/ultrasound imaging system integrated with an optical tracking-based navigation system 10
• 2.3. Image fusion procedure 13
• 2.4. Image fusion algorithms based on the optical tracking method 15
• 2.4.1. Probe calibration 17
• 2.4.2. Image-to-patient registration 19
• 2.5. Evaluation of image fusion accuracy 20
• 2.6. In vitro imaging of a tissue-mimicking phantom 25
• 2.7. In vivo imaging of a human forearm 29
• 2.8. Discussion 33
• III. Conclusions 35