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2024-02-21 06:45:18
PAM とモーションの問題
実際には、図に示すように、小動物の呼吸、心拍、その他の不随意運動によって垂直方向の動きが引き起こされることがあります。 1ａ． この変位により、サンプルに対する超音波トランスデューサーの位置が変化し、その結果、血管の形態と PA 信号強度の歪みが生じます。
直交運動補正法の原理。 (a) ラスタースキャンと信号収集のプロセス。 GT、ガス管。 (b) 動き補正方法の全体フローチャート。 黒い点線のボックスは、直交 A ライン相互相関の計算を表します。
PAM で使用されるスキャン方法には、x 軸に対応する高速軸と y 軸に対応する低速軸が含まれます。 1 次元の時間信号 (A ライン) が各スキャン ポイントで記録され、集束検出器の検出角開口内で生成された超音波信号が収集されます。 トランスデューサーは、B スキャンを完了するために、X 軸に沿って一定の速度で着実に移動します。 各 B スキャンの後、超音波トランスデューサは y 軸に沿って 1 ラスター ステップ サイズ分移動します。 このプロセスは、関心領域全体がスキャンされるまで繰り返されます。
図 1bは、動き補正方法の全体的なフローチャートを示しています。 各入力 A ラインについて、相関を考慮して時間シフトが計算され、垂直方向の動きを正確に定量化します。 相関演算は直交する2方向の走査方向で行われます。 ここでは、遅軸と速軸に沿った相関を計算することで時間シフトにそれぞれ ΔTy と ΔTx と名前を付けます。 次に、垂直方向の動きの変位を抽出します。 最後に、位置と振幅の歪みを補正します。
直交運動補正方式
超音波トランスデューサによって受信された A ラインが A(xi, yj, t) として表されると仮定します。ここで、t は時間、xi と yj は x 方向と y 方向の収集グリッドの位置です。 i は隣接する A ライン間の方向の座標、j は隣接する B スキャン間の方向の座標です。
動きによって光吸収から検出器表面までの音響波の飛行時間が変化する可能性があるため、補正された PA 信号の到着時間 Tc(xi, yj) は次のように表される必要があります。
$$T_{c} (x_{i} ,y_{j} ) = T(x_{i} ,y_{j} ) + デルタ T_{y} (x_{i} ,y_{j} ) + デルタ T_{x} (x_{i} ,y_{j} )$$
(1)
ここで、T(xi,yj)は、検出されたPA信号の到着時刻である。 時間シフト ΔTy(xi, yj) と ΔTx(xi, yj) は、次のステップに従って隣接する収集グリッド位置の受信信号間の相互相関を最大化することによって推定できます。
まず、各 A ラインについて、y 軸に沿った相関が計算されます。 (xi, yj) の A ラインは (xi, yj+1) の A ラインと比較されます。 時間シフトは相互相関を最大化することで推定できます。
$$Delta T_{y} (x_{i} ,y_{j} ) = mathop {arg max }limits_{Delta t} [sumlimits_{t = – infty }^{infty } {A(x_{i} ,y_{j} ,t + Delta t)A(x_{i} ,y_{j + 1} ,t)} ]$$
(2)
次に、ΔTy(xi, yj)≠0 の場合、x 軸に沿って検出された動き位置の相関を計算します。 X 軸のサンプリング速度が高く、動きの周期よりも大幅に短いため、高速軸に沿って連続的な歪みが生じます。 時間シフトが蓄積されるため、正確な動き変位推定が可能になります。
$$Delta T_{x} (x_{i} ,y_{j} ) = sumlimits_{m = 0}^{M} {mathop {arg max }limits_{Delta t} [sumlimits_{t = – infty }^{infty } {A(x_{i – m} ,y_{j} ,t + Delta T_{y} + Delta t)A(x_{{i – m – {1}}} ,y_{j} ,t + Delta T_{y} )} ]}$$
(3)
M の値は、動物の運動時間に応じて推定できます。 値が大きすぎると補正が過剰になる可能性があり、値が小さいと補正効果が弱くなります。 合計の垂直変位は、Σz=c(ΣTx+ΣTy) によって計算できます。ここで、c は水中の音速を表します。 したがって、高精度の変位結果が得られ、動きの歪みを効果的に補正できます。
第三に、受信信号の位相は、抽出された動き変位に基づいて再調整されます。 補正後の信号 Ac(xi, yj, t) は次のように表すことができます。
$${varvec{A}}_{c} (x_{i} ,y_{j} ,t) = A(x_{i} ,y_{j} ,t + (Delta T_{y} + デルタ T_{x} ))$$
(4)
最後に、焦点ゾーンからの逸脱によって生じる強度の歪みが、隣接する信号によって校正されます。 信号 Ac(xi, yj, tm) の大きさは、隣接する信号の振幅値 (Ac(xi, yj-1, tm) + Δc(xi, yj+1, tm) に調整されます。 ))/2、ここで tm は最大信号振幅の位置です。 走査面内の各位置について、上記の手順を繰り返して 3 次元 PA 画像を取得します。 処理された画像は、動きのない PA 信号を表します。
直交動き補正方法は、直交するスキャン方向に沿った相関を組み合わせます。 高速のモーションを扱う場合、モーションが破損した A ラインは、同様にモーションが破損した A ラインに囲まれます。 この場合、単一のスキャン軸に沿って相関を計算すると、正確な推定が維持される可能性は低くなります。 これらの問題を克服するために、直交するスキャン方向に沿った相関を組み合わせて、垂直方向の動きアーチファクトを補正します。 したがって、提案された方法は、動きアーチファクトの正確な検出を保証し、正確な動き変位推定を容易にします。
実験装置
図 2 は、この研究で使用された PAM システムの概略図を示しています。 このシステムには、波長 532 nm、繰り返し率 10 kHz の Nd: YAG レーザー (EXPL-532-2Y、Spectra-Physics Inc.、サンタクララ、米国) が組み込まれています。 レーザー ビームは、凸レンズを使用してマルチモード ファイバー (MMF) に結合されます。 出力光は平行化され、円錐レンズを使用してリング状のビームに変換されます。 次に、リング状のビームはアルミニウム製光学コンデンサーを使用してサンプルに焦点を合わせ、暗視野照明を提供します。3。 自家製の球状集束超音波トランスデューサーが光コンデンサーの中心に配置され、PA 信号を検出します。 トランスデューサの中心周波数は 13 MHz、相対帯域幅は 6 dB で 66.7%、直径は 8 mm、焦点距離は約 8 mm です。 PAM システムの横方向の解像度は、理論的には 0.71 μ/NA = 164 μm と推定できます。 検出された PA 信号は、250 MHz のサンプリング周波数でデータ収集カード (National Instruments、NI-5761) によってデジタル化されました。 モーション コントローラー (MC600、ZI Corp.、北京、中国) によって制御される 2D 電動並進ステージ (KSA050-11-X、ZI Corp.、北京、中国) は、x-y 平面ラスター スキャンを実行します。
実験のセットアップ。 PDフォトダイオード、BSビームスプリッター、CL凸レンズ、MMFマルチモードファイバー、Con.Lコニカルレンズ、DAQカードデータ収集カード、UT USトランスデューサー、OC光コンデンサー、WT水槽。
動物の準備
動物研究は、南京大学の動物研究委員会によって承認されたプロトコールに従って実施されました。 研究はARRIVEガイドラインに従って実施されました。 すべての方法は、関連するガイドラインおよび規制に従って実行されました。 雄のヌード マウス (約 6 週齢、体重 ~ 20 g) は、生体内イメージング実験の動物モデルとして選択されました。 最初にマウスを誘導ボックスに置き、イソフルランガスを使用してマウスを麻酔しました。 麻酔が効いたら、マウスを動物ホルダー上に移動して側方固定を維持し、実験全体を通じて全身麻酔を維持するために動物用麻酔器と呼吸マスクを利用しました。 実験中、麻酔薬の濃度は 3% に維持されました。
倫理宣言
この研究で報告されている実験の倫理承認は、南京大学の動物研究委員会によって提供されています。
#直交相互相関による光音響顕微鏡の高速運動の補正