Ultrasound optical tomography for imaging in the human brain

Abstract

Ultrasound optical tomography is a medical imaging modality that combines ultrasound and light to improve the low resolution of optical imaging caused by scattering in tissue. Photons passing through an ultrasound pulse have a probability of being frequency shifted. By filtering out these photons and analysing them, images with optical contrast and ultrasound resolution can be obtained.

In this thesis the conditions for ultrasound optical tomography inside the human brain, both infant and adult, are investigated. Possible applications include imaging of brain tumours or stroke imaging. The investigation includes experimentally characterizing an ultrasound pulse after propagating through a slab of skull bone, originating from an infant cranium, as well as using Monte Carlo simulations of photon propagation to estimate signal strengths and signal-to-noise ratios from different depths in the head. Based on measurements, an acoustic energy attenuation of about 80-90% was estimated to take place in the skull bone, however the pulse shape did not appear severely distorted. For the simulations, realistic head models were created using optical parameters found in the literature, and penetration depths for imaging were estimated to be ≤ 2 cm in the adult head and ≤ 3 cm in the infant head, given perfect filtering of the frequency-shifted photons. The depths correspond to reaching superficial white matter in the adult head, and going well into the white matter in the infant head. The calculations were based on the assumption that the probability of frequency-shifting experienced by a photon is proportional to the pathlength spent inside the ultrasound pulse volume. This assumption was then evaluated by comparing estimates to simulations of ultrasound-light interaction.

Though the conditions seem challenging for imaging of the adult head, several aspects of the setup can be improved. These include the surface areas of the light source and detector, the powering voltage of the ultrasound transducer, and the time during which signal is collected. If real time imaging is compromised, the penetration depth would be increased. The location at which imaging is performed also affects the size of the signal, as the thicknesses of tissue layers vary across the head. Lastly, there is some uncertainty regarding the optical parameters chosen in the simulation, which would greatly affect the result.

Popular Abstract (Swedish)

Att använda ljus som medium för bildteknik ter sig nog intuitivt för de flesta, eftersom det är ljus som låter våra ögon se bilder av omgivningen. Tack vare ljus är världen omkring oss synlig i en mångfald av färgnyanser, som ger oss information som hade gått förlorad i svartvitt. En blick av de rödsprakande löven utanför fönstret påminner oss snabbt om tiden på året, och färgen av ett äpple kan avgöra huruvida det är omoget eller ruttet. Är det då inte synd att våra läkare, för diagnostik, inte kan betrakta inre vävnader i färg utan att i vissa fall mödosamt tränga in en kamera, eller skära ut ett prov från kroppen?

Svårigheten med att använda ljus för avbildning av inre vävnad ligger i att ljus kraftigt och slumpmässigt sprids i kroppen. En foton som skickats in i vävnad byter slumpmässigt riktning många gånger om, vilket resulterar i en helt oförutsägbar färd. En kamera eller detektor som samlar in fotoner efter att de vistats i kroppen kan därför inte återskapa en högupplöst bild av den inre vävnaden.

Ultrasound optical tomography (UOT) är en bildteknik som just nu utvecklas för att lösa problemet med låg upplösning på grund av ljusets spridning i vävnad. Som namnet antyder används optisk strålning, det vill säga ljus, tillsammans med ultraljud för att skapa bilder. Ultraljud används ju redan inom sjukvården för att göra (svartvita) bilder, men inom UOT används det endast för att härleda ett av områdena i vilket ljuset vistats. Ljus som färdas genom ett område med ljudvågor har nämligen en sannolikhet till en liten förändring av sin frekvens, det vill säga av sin färg. I UOT skickas en liten ultraljudspuls in i vävnaden, till en känd position, samtidigt som vävnaden belyses med ljus. En bråkdel av fotonerna kommer i sin slumpmässiga väg att färdas genom ultraljudspulsen, och kan då bli frekvensskiftade. När en detektor sedan samlar in ljuset kan de fotoner som färdats genom det kända området urskiljas med hjälp av frekvensfilter. Genom att variera positionen av ultraljudspulsen återskapas en bild av vävnaden, pixel för pixel. Upplösningen är därmed räddad, och fotonerna som detekteras bär på intressant information om vävnadens färg.

Eftersom UOT är en teknik som fortfarande utvecklas är det ännu inte fastställt i vilka vävnader den fungerar bäst. I denna masteruppsats undersöks möjligheterna för avbildning av hjärnvävnad med UOT. Två viktiga omständigheter som avgör teknikens genomförbarhet är ljusets spridning och absorption i huvudet, samt det ultraljudsfokus som går att uppnå genom skallben. Här presenteras resultat av en experimentellt uppmätt ultraljudspuls som färdats genom en bit skallben, tillsammans med resultat från ett antal simuleringar av fotoners slumpmässiga vägar i huvudet, genom hud, ben och hjärnvävnad. Mer specifikt jämfördes simuleringar mellan ljus i ett spädbarnshuvud och ljus i ett vuxet huvud.

Mätningarna visar en ca. 80-90 procentig energiförlust hos ultraljudet då det färdas genom skallbenet. Resultat från simuleringarna visar också att förhållandena för avbildning är bättre i spädbarnshuvudet än i det vuxna huvudet, vilket troligtvis beror på spädbarnets tunnare skalp och skallben. För det vuxna huvudet tycks förhållandena för avbildning utmanande, men eftersom det fortfarande finns en osäkerhet i simuleringarna, och eftersom flera förbättringsområden inte utforskas i detta arbete, krävs vidare undersökning.

• author: Tatidis, Paulina
• supervisor: Akvilé Zabiliûté-Karaliûné; Adam Kinos; Eglé Bukarté
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy; Technology and Engineering
• keywords: ultrasound optical tomography, brain imaging, Monte Carlo, brain optical properties
• publication/series: Lund Reports in Atomic Physics (LRAP)
• report number: 597
• language: English
• id: 9159616
• date added to LUP: 2024-06-10 10:35:05
• date last changed: 2024-06-10 10:35:05