ナカガミパラメーターを使用して超音波後方散乱統計の変化を検出する：モーメントベースと最尤推定器の比較

ナカガミ分布は、組織の特性評価のための超音波後方散乱信号の統計に役立つ近似です。さまざまな推定値が、後方散乱統計の変化の検出において、ナカガミパラメーターに影響を与える可能性があります。特に、モーメントベースの推定器（MBE）と最尤推定器（MLE）は、超音波信号のナカガミパラメーターを推定するために使用される2つの主要な方法です。この研究では、Nakagamiパラメーターの推定に対するMBEおよび異なるMLE近似の影響を調査しました。異なる散乱者数密度の超音波後方散乱信号がシミュレーションモデルを使用して生成され、ヒト肝組織のファントム実験と測定も実施され、実際の後方散乱エコーを獲得しました。Envelope信号を使用して、MLE（MLE1およびMLE2）のMBE、1次、および2次近似、およびGreenwood近似（MLEGW）を使用して、比較のためにNakagamiパラメーターを推定しました。シミュレーション結果は、MBEおよびMLE1と比較して、MLE2およびMLEGWがサンプルサイズが小さいより安定したパラメーター推定を有効にしたことを実証しました。特に、エンベロープ信号の必要なデータ長は、パルス長の3.6倍でした。ファントムおよび組織測定の結果は、MLE2とMLEGWを使用して推定されたナカガミパラメーターが、さまざまな散乱体濃度を低い標準偏差と同時に区別し、後方散乱統計に関連する物理的意味を確実に反映できることを示しました。したがって、MLE2とMLEGWは、超音波組織の特性評価のためのナカガミベースの方法論の開発の推定器として提案されています。

The Nakagami distribution is an approximation useful to the statistics of ultrasound backscattered signals for tissue characterization. Various estimators may affect the Nakagami parameter in the detection of changes in backscattered statistics. In particular, the moment-based estimator (MBE) and maximum likelihood estimator (MLE) are two primary methods used to estimate the Nakagami parameters of ultrasound signals. This study explored the effects of the MBE and different MLE approximations on Nakagami parameter estimations. Ultrasound backscattered signals of different scatterer number densities were generated using a simulation model, and phantom experiments and measurements of human liver tissues were also conducted to acquire real backscattered echoes. Envelope signals were employed to estimate the Nakagami parameters by using the MBE, first- and second-order approximations of MLE (MLE1 and MLE2, respectively), and Greenwood approximation (MLEgw) for comparisons. The simulation results demonstrated that, compared with the MBE and MLE1, the MLE2 and MLEgw enabled more stable parameter estimations with small sample sizes. Notably, the required data length of the envelope signal was 3.6 times the pulse length. The phantom and tissue measurement results also showed that the Nakagami parameters estimated using the MLE2 and MLEgw could simultaneously differentiate various scatterer concentrations with lower standard deviations and reliably reflect physical meanings associated with the backscattered statistics. Therefore, the MLE2 and MLEgw are suggested as estimators for the development of Nakagami-based methodologies for ultrasound tissue characterization.