Dual Modal Photoacoustic and Ultrasound Imaging: from Image Processing to Intravascular Application

Abstract

생체의학영상기술 중 광음향과 초음파를 이용한 이중모드 영상은 일반적인 해부학적 구조 정보로 깊은 조직의 분자 대비 영상을 가능하게 하는 독특한 장점이 있다. 기술이 가진 장점은 명확하지만, 아직 기술의 발전단계가 성숙하지 않았기 때문에 신호처리에서 하드웨어 시스템 개발까지 발전의 여지가 많다. 따라서 이 논문은 영상 처리, 신호 처리, 단순 하드웨어 개발, 시스템 하드웨어 개발 및 시스템 소프트웨어 개발을 포함한 광범위한 광음향 초음파 이중 모드 영상 관련 연구를 다루고 있다. 논문은 크게 두 부분으로 구성된다. 논문의 첫 번째 부분은 동맥경화 반 영상을 주제로 하는 연구로, 저렴한 가격으로 구성 가능한 편광 현미경을 이용한 콜레스테롤 크리스탈 영상 연구 그리고 카테터 이미징 시스템을 사용하여 죽상동맥경화반을 영상화하는 기법에 대해 소개한다. 본 논문의 두번째 부분에서는 새로운 비선형 빔포밍 기법을 통한 광음향 및 초음파 영상 품질 향상 방법과, 볼륨 렌더링 알고리즘과 대화형 소프트웨어 인터페이스를 이용한 고품질 시각화 기법을 이용한 입체 영상 편집 및 시각화 방법을 소개한다. 앞서 소개된 동맥경화 관련 연구에서는 광음향/초음파 이중 모드 영상이 새로운 정보를 제공할 수 있음을 보여주었지만 아직 임상 적용에는 기술수준이 부족한 것을 보여준다. 화질 개선 및 시각화 기술과 관련 연구는 좀더 정량화 되고 가시적인 결과를 보여주지만 제한된 환경에서만 효과가 검증되었기 때문에 보다 광범위한 적용 연구가 필요한 것으로 보인다. 전체적인 성과를 볼 때, 광음퍙/초음파 이중 모드 영상 기법은 지속적이고 다양한 연구를 통해 생체의학영상기술에 있어 혁신적인 변화를 가져올 수 있을 것이라 기대한다.

Among biomedical imaging technologies, dual-mode imaging using photoacoustic (PA) and ultrasound (US) has the unique advantage of enabling molecular contrast imaging of deep tissues with general anatomical structure information. Although the advantages of the technology are clear, there is much room for development from signal processing to hardware system development because the development stage of the technology is not yet mature. Therefore, this paper covers a wide range of PA/US dual-mode imaging studies, including image processing, signal processing, simple hardware development, system hardware development, and system software development. The thesis mainly consists of two parts. The first part of the dissertation is a study on arteriosclerotic plaque imaging and introduces cholesterol crystal imaging studies using a low-cost polarizing microscope and a technique for imaging atherosclerotic plaques using a catheter-based imaging system. The second part of this dissertation introduces a method for improving photoacoustic and ultrasound image quality through a novel nonlinear beamforming technique and a 3D image editing and visualization method using a volume rendering algorithm and an interactive software interface. The arteriosclerosis-related studies showed that PA/US dual-mode imaging could provide new information, but the technical level is still insufficient for clinical application. Signal processing and visualization studies show more quantified and visible results, but more extensive application studies are needed to verify the effect in more general cases. Although the pros and cons of each study are revealed differently, when looking at the overall results, it is expected that the PA/US dual-mode imaging technique can bring innovative changes in biomedical imaging technology through continuous and diverse research.