Accounting for speed of sound variations in volumetric hand-held optoacoustic imaging

Abstract

Hand-held implementations of recently introduced real-time volumetric tomography approaches represent a promising path toward clinical translation of the optoacoustic technology. To this end, rapid acquisition of optoacoustic image data with spherical matrix arrays has attained exquisite visualizations of three-dimensional vascular morphology and function deep in human tissues. Nevertheless, significant reconstruction inaccuracies may arise from speed of sound (SoS) mismatches between the imaged tissue and the coupling medium used to propagate the generated optoacoustic responses toward the ultrasound sensing elements. Herein, we analyze the effects of SoS variations in three-dimensional hand-held tomographic acquisition geometries. An efficient graphics processing unit (GPU)-based reconstruction framework is further proposed to mitigate the SoS-related image quality degradation without compromising the high-frame-rate volumetric imaging performance of the method, essential for real-time visualization during hand-held scans.

Keywords

speed of sound (SoS) / graphics processing unit (GPU)

References

[1] Dean-Ben X L, Razansky D. Adding fifth dimension to optoacoustic imaging: volumetric time-resolved spectrally enriched tomography. Light, Science & Applications, 2014,3(1): e137

[2] Buehler A, Kacprowicz M, Taruttis A, Ntziachristos V. Real-time handheld multispectral optoacoustic imaging. Optics Letters, 2013, 38(9): 1404–1406 

[3] Taruttis A, Ntziachristos V. Advances in real-time multispectral optoacoustic imaging and its applications. Nature Photonics, 2015, 9(4): 219–227 

[4] Wang L V, Yao J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nature Methods, 2016, 13(8): 627–638 

[5] Stoffels I, Morscher S, Helfrich I, Hillen U, Leyh J, Burton N C, Sardella T C, Claussen J, Poeppel T D, Bachmann H S, Roesch A, Griewank K, Schadendorf D, Gunzer M, Klode J. Metastatic status of sentinel lymph nodes in melanoma determined noninvasively with multispectral optoacoustic imaging. Science Translational Medicine, 2015, 7(317): 317ra199 160;

[6] Deán-Ben X L, Merčep E, Razansky D. Hybrid-array-based optoacoustic and ultrasound (OPUS) imaging of biological tissues. Applied Physics Letters, 2017, 110(20): 203703 

[7] Kim C, Erpelding T N, Jankovic L, Pashley M D, Wang L V. Deeply penetrating in vivo photoacoustic imaging using a clinical ultrasound array system. Biomedical Optics Express, 2010, 1(1): 278–284 160;

[8] Fronheiser M P, Ermilov S A, Brecht H P, Conjusteau A, Su R, Mehta K, Oraevsky A A. Real-time optoacoustic monitoring and three-dimensional mapping of a human arm vasculature. Journal of Biomedical Optics, 2010, 15(2): 021305 160;

[9] Piras D, Grijsen C, Schütte P, Steenbergen W, Manohar S. Photoacoustic needle: minimally invasive guidance to biopsy. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(7): 070502 

[10] Deán-Ben X L, Razansky D. On the link between the speckle free nature of optoacoustics and visibility of structures in limited-view tomography. Photoacoustics, 2016, 4(4): 133–140 160;

[11] Neuschmelting V, Burton N C, Lockau H, Urich A, Harmsen S, Ntziachristos V, Kircher M F. Performance of a multispectral optoacoustic tomography (MSOT) system equipped with 2D vs. 3D handheld probes for potential clinical translation. Photoacoustics, 2016, 4(1): 1–10 160;

[12] Mercep E, Dean Ben X L, Razansky D. Combined pulse-echo ultrasound and multispectral optoacoustic tomography with a multi-segment detector array. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2017, doi: 10.1109/TMI.2017.2706200

[13] Deán-Ben X L, Ntziachristos V, Razansky D. Artefact reduction in optoacoustic tomographic imaging by estimating the distribution of acoustic scatterers. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(11): 110504 160;

[14] Deán-Ben X L, Ma R, Rosenthal A, Ntziachristos V, Razansky D. Weighted model-based optoacoustic reconstruction in acoustic scattering media. Physics in Medicine and Biology, 2013, 58(16): 5555–5566 160;

[15] Treeby B E. Acoustic attenuation compensation in photoacoustic tomography using time-variant filtering. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(3): 036008 160;

[16] Huang C, Nie L, Schoonover R W, Wang L V, Anastasio M A. Photoacoustic computed tomography correcting for heterogeneity and attenuation. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(6): 061211 160;

[17] Deán-Ben X L, Razansky D, Ntziachristos V. The effects of acoustic attenuation in optoacoustic signals. Physics in Medicine and Biology, 2011, 56(18): 6129–6148 160;

[18] Modgil D, Anastasio M A, La Rivière P J. Image reconstruction in photoacoustic tomography with variable speed of sound using a higher-order geometrical acoustics approximation. Journal of Biomedical Optics, 2010, 15(2): 021308 160;

[19] Deán-Ben X L, Ntziachristos V, Razansky D. Effects of small variations of speed of sound in optoacoustic tomographic imaging. Medical Physics, 2014, 41(7): 073301 160;

[20] Wurzinger G, Nuster R, Paltauf G. Combined photoacoustic, pulse-echo laser ultrasound, and speed-of-sound imaging using integrating optical detection. Journal of Biomedical Optics, 2016, 21(8): 086010 160;

[21] Haltmeier M, Nguyen L V. Analysis of iterative methods in photoacoustic tomography with variable sound speed. SIAM Journal on Imaging Sciences, 2017, 10(2): 751–781 160;

[22] Li L, Zhu L R, Ma C, Lin L, Yao J J, Wang L D, Maslov K, Zhang R Y, Chen W Y, Shi J H, Wang L V. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering, 2017, 1(5): Art. No. 0071

[23] Treeby B E, Cox B T. k-wave: MATLAB toolbox for the simulation and reconstruction of photoacoustic wave fields. Journal of Biomedical Optics, 2010, 15(2): 021314 160;

[24] Huang C, Wang K, Nie L, Wang L V, Anastasio M A. Full-wave iterative image reconstruction in photoacoustic tomography with acoustically inhomogeneous media. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2013, 32(6): 1097–1110160;

[25] Szabo T L. Diagnostic ultrasound imaging inside out. Burlington, MA: Elsevier Academic Press, 2004, p. xxii, 549 p

[26] Jose J, Willemink R G, Resink S, Piras D, van Hespen J C, Slump C H, Steenbergen W, van Leeuwen T G, Manohar S. Passive element enriched photoacoustic computed tomography (PER PACT) for simultaneous imaging of acoustic propagation properties and light absorption. Optics Express, 2011, 19(3): 2093–2104 160;

[27] Xia J, Huang C, Maslov K, Anastasio M A, Wang L V. Enhancement of photoacoustic tomography by ultrasonic computed tomography based on optical excitation of elements of a full-ring transducer array. Optics Letters, 2013, 38(16): 3140–3143 160;

[28] Treeby B E, Varslot T K, Zhang E Z, Laufer J G, Beard P C. Automatic sound speed selection in photoacoustic image reconstruction using an autofocus approach. Journal of Biomedical Optics, 2011, 16(9): 090501  

[29] Mandal S, Nasonova E, Deán-Ben X L, Razansky D. Optimal self-calibration of tomographic reconstruction parameters in whole-body small animal optoacoustic imaging. Photoacoustics, 2014, 2(3): 128–136 160;

[30] Deán-Ben  X L, Fehm T F, Gostic M, Razansky D. Volumetric hand-held optoacoustic angiography as a tool for real-time screening of dense breast. Journal of Biophotonics, 2016, 9(3): 253–259  

[31] Deán-Ben X L, Ozbek A, Razansky D. Volumetric real-time tracking of peripheral human vasculature with GPU-accelerated three-dimensional optoacoustic tomography. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2013, 32(11): 2050–2055 160;

[32] Xu M, Wang L V. Universal back-projection algorithm for photoacoustic computed tomography. Physical Review E:  Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 2005, 71(1 Pt 2): 016706

[33] Deán-Ben X L, Razansky D. Portable spherical array probe for volumetric real-time optoacoustic imaging at centimeter-scale depths. Optics Express, 2013, 21(23): 28062–28071 160;

[34] Peli E. Contrast in complex images. Journal of the Optical Society of America A, Optics and Image Science, 1990, 7(10): 2032–2040 160;

Acknowledgement

The authors acknowledge support from the European Research Council Consolidator grant ERC-2015CoG-682379.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg