Development of a Hybrid Ultrasound- Photoacoustic Imaging System and its Applications to Early-Diagnosis of Diseases and Surgical Guidance
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2015
- 학위수여년월 2015. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000056348
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
The use of in vivo multimodality imaging to acquire multifunctional information is becoming more widespread for preclinical research, clinical diagnosis, interventional guidance and treatment response monitoring. In this thesis, multi-modal approach integrating ultrasound (US) and photoacoustic (PA) imaging is presented, which includes the range of considerations for both the early-diagnosis of diseases and surgical guidance. Firstly, US/PA imaging system is implemented by developing hardware platform, software package, and image enhancing algorithm. The frame rate of the combined US/PA mode can be up to 10 fps by completing the data acquisition and image reconstruction in 55.6 ms using software graphics processing unit (GPU) parallel processing. Also, the US/PA imaging system supports the 100-200 μm of spatial resolution for both morphological and light absorbing information with 4 cm of the maximal imaging depth and 700-900 nm of multispectral range for PA imaging. Furthermore, for the US/PA imaging system, the adaptive beamforming method based on a spatially-smoothed coherence factor (ABF-SSCF) was developed, which can enhance 27 % and 20 % of the contrast-to-noise ratio (CNR) and spatial resolution in US imaging, respectively, and 31 % of spatial resolution in PA imaging. The feasibility of the developed US/PA imaging system for early-diagnosis of diseases and surgical guidance is verified by phantom and in vivo experiments. Secondly, new endogenous and exogenous applications are developed based on the US/PA imaging system; as a novel endogenous contrast, the feasibility of PA imaging on breast microcalcifications is proposed and indirectly validated, which is currently regarded as an important early-indicator of breast cancer. It was found that the specimens with microcalcifications can be differentiated from surrounding tissues by presenting 0.30-0.61 of the PA intensity ratio at wavelengths of 700 nm and 800 nm, while control specimens without microcalcifications indicates 0.91 for the PA intensity ratio. Also, it was shown that PA imaging only visualized the more malignant composition of microcalcifications (i.e., hydroxyapatite) with the PA intensity ratio of 0.68, while the benign composition (i.e., calcium oxalate) has a negligible PA contrast. The contrast-enhanced PA imaging using an exogenous multi-modal contrast agent, synthetic melanin nanoparticle (i.e., MelNP), is also presented. In this method, the PA signal amplification is obtained by a specific strategy of selective aggregation within cancer cells which are more acidic than healthy normal cells. From the phantom experiment, PA signal amplification by a factor of 8.1 was obtained from the aggregated MelNPs in acidic solution (pH 6) compared to those in the solution of higher pH (i.e., 7.2). Also, this strategy of PA signal amplification was verified in cell experiments: PA signal amplification ratio was 2 in Hela cancer cell (pH 6.4) compared to dispersed MelNPs. Therefore, it can be concluded that the early-diagnosis of cancerous diseases and surgical guidance can be supported with the developed US/PA imaging system. Also, the efficacy of the developed US/PA imaging system can be maximized by novel endogenous and exogenous contrasts such as breast microcalcifications and selectively aggregatable MelNPs.
more초록/요약
다중 모드 영상 기법은 전임상, 임상, 및 중재적 시술 유도 등에 매우 넓은 범위로 그 사용이 증가하고 있다. 본 학위 논문에서는 실시간 임상적 질병의 조기 진단과 수술 유도를 목적으로 하는 초음파/광음향 융합 다중모드 영상 기법에 대한 연구 결과를 보인다. 첫 번째로 질병 조기 진단 및 수술 유도를 위한 초음파-광음향 영상 시스템 구현을 위한 하드웨어 플랫폼, 소프트웨어 패키지, 그리고 영상 개선 알고리즘의 개발을 보인다. 개발된 초음파/광음향 융합 영상 시스템은 소프트웨어 GPU 병렬 처리를 이용하여 55.6 ms 내에 데이터 취득 및 영상 복원을 모두 수행함으로써 10 fps의 융합 영상 프레임율을 취득할 수 있다. 또한, 개발된 초음파/광음향 영상 시스템은 구조적인 영상과 기능적인 흡광 계수 영상에 대해 모두 100-200 μm의 공간 해상도를 최대 4 cm의 영상 깊이와 700-900 nm의 파장 대역에 대해서 수행할 수 있다. 뿐만 아니라 공간 합성 일치 계수 기반 적응 빔 집속 기법을 통해 초음파 영상에서 27%의 잡음 대 대조비 및 20% 의 해상도 향상을 얻을 수 있으며, 광음향 영상에서 31%의 해상도 향상도 얻을 수 있다. 이렇게 개발된 초음파/광음향 영상 시스템의 질병 조기 진단 및 수술 유도에 대한 가능성을 인체 모사 실험 및 동물 생체 실험을 통해 검증하였다. 두 번째로 새로운 인체 내, 인체 외 광음향 조영체 개발에 대한 연구도 진행되었다; 먼저 새로운 인체 내 광음향 조영체로서 유방암의 조기 인자인 유방 미세 석회화 조직의 광음향 영상을 제안하고 생검 검체를 통해 간접적으로 그 가능성을 증명하였다. 이러한 연구의 결과로, 미세 석회화를 포함한 검체의 경우 700 nm ? 800 nm 간의 광음향 신호비가 0.30-0.61로 나타나는 반면 미세 석회화를 포함하지 않은 검체의 경우 0.91의 광음향 신호비를 가져 각 실험 군이 서로 구분될 수 있음을 보였다. 또한, 광음향 영상 기법을 통해 더욱 악성 조직에서 나타나는 미세 석회화 조직 구성 요소인 Hydroxyapatite에 대한 신호 대조도를 확보하여 0.68의 700-800 nm 대역 광음향 신호비를 취득할 수 있었던 반면, 양성 조직에서 나타나는 calcium oxalate의 경우 광음향 대조도를 확보할 수 없었다. 이를 통해 광음향 영상 기법을 통한 유방암 조기 진단 가능성을 보일 수 있었다. 마지막으로, 멜라닌 나노 입자가 인체 외 주입되어 산성인 암성 세포 내에서 선택적으로 집합됨을 통해 광음향 영상 기법에 대한 최대 대조도 확보 기법을 연구하였다. 본 연구에서는 보통 세포에 비해 산성을 띄는 암성 세포 내부에서 선택적으로 집합됨에 따라 광음향 신호를 증폭시키는 방법을 기반으로 하며 인체 모사 실험에서 산성 용액에서 집합된 멜라닌 나노 입자는 중성 용액의 멜라닌 나노 입자 대비 8.1배의 신호 증폭을 보였다. 또한, 이러한 결과는 산성 헬라 암 세포 (pH 6) 를 이용한 세포 실험에서 일반 멜라닌 나노 입자 대비 2배의 신호 증폭을 보임으로써 검증될 수 있었다. 따라서, 개발된 초음파/광음향 영상 시스템을 통해 암성 질병의 조기 진단 및 수술 유도가 가능할 것이다. 또한, 유방 미세 석회 조직 및 멜라닌 나노 입자 등 새로운 인체 내, 외 조영체의 개발을 통해 초음파/광음향 영상 시스템의 효용성을 최대화 시킬 수 있다.
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