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Main Title: Experimental validation of a Monte Carlo--based inversion scheme for quantitative photoacoustic tomography
Translated Title: Experimentelle Validierung eines auf einem Monte Carlo Modell basierenden Inversionsschemas für die quantitative photoakustische Tomographie
Author(s): Buchmann, Jens
Advisor(s): Laufer, Jan
Referee(s): Laufer, Jan
Macdonald, Rainer
Krikunova, Maria
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Photoacoustic tomography is a promising medical imaging modality that combines the spectral specificity of optical imaging methods with the high resolution of ultrasound imaging. The photoacoustic image intensity depends not only on the local optical absorption, but also on the local light fluence inside the tissue, which is generally unknown. In order to quantify concentrations of tissue chromophores, to derive clinically relevant parameters like the blood oxygen saturation, and to facilitate true molecular and functional imaging, the unknown fluence inside the tissue needs to be estimated. In this thesis, fluence estimates were predicted using a Monte Carlo light transport model. A model-based inversion scheme was developed to recover absolute chromophore concentrations from high-resolution, three-dimensional, multispectral photoacoustic images on a voxel-by-voxel basis without the need for image segmentation or explicit regularization. In silico experiments showed that the inversion scheme enabled the recovery of chromophore concentrations with high accuracy. When the scattering distribution was known a priori, the gradients could be approximated without the need to calculate the adjoint radiance, saving an order of magnitude computation time. The model-based inversion scheme was subsequently validated on measured multispectral photoacoustic image data sets of a tissue-mimicking phantom with known optical and acoustic properties. The data sets were acquired using a photoacoustic scanner based on a Fabry-Perot interferometer acting as the ultrasound detector. The concept of a calibrated absorber was introduced to scale measured images with the model output. The feasibility of a simple ad hoc acoustic correction method was demonstrated. Inversion accuracy of +- 5 percent for concentration ratios could be demonstrated. The experimental and computational methods described in this thesis have been shown to overcome some of the main challenges of the photoacoustic inverse problem and represents a major step towards routine in vivo applications of this emerging imaging technology in the life sciences and clinical research.
Die photoakustische Tomographie ist eine vielversprechende medizinische Bildgebungsmethode, in der die spektrale Spezifität optischer Bildgebungsverfahren mit der hohen Auflösung der Ultraschallbildgebung kombiniert wird. Die Amplituden der photoakustischen Bilder hängen nicht nur von der lokalen optischen Absorption ab, sondern auch von der lokalen Lichtfluenz im Gewebe, die im Allgemeinen nicht bekannt ist. Um Konzentrationen von Gewebechromophoren zu quantifizieren, klinisch relevante Parameter wie die Sauerstoffsättigung des Blutes abzuleiten und verlässliche molekulare und funktionelle Bildgebung zu ermöglichen, muss die unbekannte Fluenz im Gewebe abgeschätzt werden. In dieser Arbeit wurde die ortsabhängige Fluenz im Gewebe mit Hilfe eines Monte Carlo Lichttransportmodells abgeschätzt. Es wurde ein modellbasiertes Inversionsschema entwickelt, um absolute Chromophorenkonzentrationen aus hochauflösenden, dreidimensionalen, multispektralen photoakustischen Bildern voxelbasiert und ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Bildsegmentierung oder expliziten Regularisierung zu bestimmen. In Simulationen konnte gezeigt werden, dass das Inversionsschema die Bestimmung der Chromophorenkonzentrationen mit hoher Genauigkeit ermöglichte. Wenn die Streuverteilung a priori bekannt war, konnten die Gradienten ohne Einbußen der Inversionsgenauigkeit approximiert werden. Dadurch mussten weder die Strahlungsdichte, noch die adjungierte Fluenz berechnet werden. Dadurch konnte die benötigte Rechenzeit um eine Größenordnung reduziert werden. Das modellbasierte Inversionsschema wurde anschließend an gemessenen multispektralen photoakustischen Datensätzen eines Gewebephantoms mit bekannten optischen und akustischen Eigenschaften validiert. Die Datensätze wurden mit einem photoakustischen Scanner erfasst, der auf einem Fabry-Perot Interferometer basiert. Das Konzept eines kalibrierten Absorbers wurde entwickelt, um die gemessenen Daten an die Modellausgabe zu skalieren. Die Inversionsergebnisse konnten durch eine einfache akustische ad hocKorrekturmethode signifikant verbessert werden. Es konnte eine Inversionsgenauigkeit von +- 5 Prozent für Konzentrationsverhältnisse demonstriert werden. Die experimentellen und rechnerischen Methoden, die in dieser Arbeit beschrieben werden, können einige der größten Herausforderungen des photoakustischen inversen Problems überwinden. Sie stellen einen signifikanten Schritt in Richtung routinemäßiger in vivo Anwendungen dieser aufkommenden Bildgebungstechnologie in den Biowissenschaften und der klinischen Forschung dar.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11640
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10528
Exam Date: 21-Aug-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 13-Oct-2020
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): photoacoustic tomography
blood oxygenation
inverse problem
Monte Carlo light transport
msot
photoakustische Tomographie
Blutsauerstoffsättigung
inverses Problem
Monte Carlo Lichttransport
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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