基于多元格兰杰因果关系的超声成像纤维方向估计新方法

《Computers in Biology and Medicine》：Estimating fiber orientation in ultrasound imaging through correlation and multivariate Granger causality

本文创新性地将多元格兰杰因果关系（GC）引入超声成像领域，作为传统相关性分析（如背向散射张量成像BTI）的补充工具，通过仿真和体外实验验证了GC在心肌纤维方向估计中的独特优势（尤其在捕捉方向性依赖关系方面），为心脏微结构评估提供了比扩散张量成像（DTI）更具成本效益的替代方案。

　　

Highlight

理论背景：背向散射张量成像 (Backscatter Tensor Imaging, BTI)

BTI是一种高分辨率超声技术，通过分析背向散射射频（RF）信号的空间相干性来估计局部组织纤维方向。该方法最初由Papadacci等人提出，利用平面波相干复合和空间相关性分析来可视化生物组织中的各向异性结构，例如心肌纤维。

BTI通过发射多个倾斜的平面波，并相干复合接收到的背向散射信号来...

格兰杰因果关系：基础与方法学考量

时间序列分析经常使用向量自回归（Vector Autoregressive, VAR）模型来研究多个时间序列之间的动态关系。它将单变量自回归模型扩展到多变量设置，捕捉变量间随时间的线性依赖性。本节介绍VAR模型及其与格兰杰因果关系（Granger Causality, GC）的联系，随后详细讨论多变量设置中的成对GC。

提出的方法论

在超声实验数据中，观察到RF信号之间同时存在方向性依赖（因果关系）和瞬时相关性。为了更好地理解这两种依赖形式如何影响相干性估计，我们利用上述理论框架来模拟多变量RF信号，其中因果关系和相关性可以被独立控制。这种基于模拟的方法使我们能够在真实条件下评估GC的鲁棒性...

数据采集与预处理

为了模拟定向肌肉片的结构，我们建立了一个体外实验，使用尼龙线来复制对齐的肌肉纤维结构。将一根直径为0.1毫米的尼龙线缠绕在一个圆盘上，形成合成纤维片，方法类似于文献[8]所述。最终制成的薄片尺寸为40 × 45 mm，大于本研究中使用的1024阵元面阵探头（Vermon, 3.47 MHz, 0.3 mm间距, 10.5 × 9.6 mm覆盖区域）的孔径。该圆盘安装在一个...

讨论

以往的超声成像研究主要依赖于基于相关性的技术，例如背向散射张量成像（BTI）和基于相干性的各向异性映射。虽然这些方法在表征心肌微结构方面显示出巨大潜力，但它们本质上仅限于捕捉RF信号之间的线性关系。替代策略包括互信息方法，它超越了线性假设，但在超声纤维方向估计中的应用探索较少。