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Frequency-Domain Robust PCA for Real-Time Monitoring of HIFU Treatment

高强度聚焦超声 计算机科学 成像体模 超声波 医学影像学 人工智能 生物医学工程 计算机视觉 放射科 医学
作者
Kun Yang,Qiang Li,Jiahong Xu,Meng-Xing Tang,Zhibiao Wang,Po‐Hsiang Tsui,Xiaowei Zhou
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (8): 3001-3012
标识
DOI:10.1109/tmi.2024.3385408
摘要

High intensity focused ultrasound (HIFU) is a thriving non-invasive technique for thermal ablation of tumors, but significant challenges remain in its real-time monitoring with medical imaging. Ultrasound imaging is one of the main imaging modalities for monitoring HIFU surgery in organs other than the brain, mainly due to its good temporal resolution. However, strong acoustic interference from HIFU irradiation severely obscures the B-mode images and compromises the monitoring. To address this problem, we proposed a frequency-domain robust principal component analysis (FRPCA) method to separate the HIFU interference from the contaminated B-mode images. Ex-vivo and in-vivo experiments were conducted to validate the proposed method based on a clinical HIFU therapy system combined with an ultrasound imaging platform. The performance of the FRPCA method was compared with the conventional notch filtering method. Results demonstrated that the FRPCA method can effectively remove HIFU interference from the B-mode images, which allowed HIFU-induced grayscale changes at the focal region to be recovered. Compared to notch-filtered images, the FRPCA-processed images showed an 8.9% improvement in terms of the structural similarity (SSIM) index to the uncontaminated B-mode images. These findings demonstrate that the FRPCA method presents an effective signal processing framework to remove the strong HIFU acoustic interference, obtains better dynamic visualization in monitoring the HIFU irradiation process, and offers great potential to improve the efficacy and safety of HIFU treatment and other focused ultrasound related applications.
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