Maximizing the signal-to-noise ratio of diverging ultrasonic waves in multiple scattering, attenuating, and diffracting media
Çoklu saçılmalı, soğurmalı ve kırınımlı ortamlarda ıraksayan ultrasonik dalgaların sinyal gürültü oranının maksimizasyonu
- Tez No: 755482
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 132
Özet
Iraksayan dalga görüntüleme yöntemi odaklamanın kullanılmadığı bir görüntüleme yöntemidir. Bu yöntemde, ıraksayan bir hüzme tüm ilgili bölgeyi aydınlatmak için kullanılır. Iraksayan dalga, çevirici dizini elemanlarının her birine uygulanan zaman gecikmeleri ile oluşturulur. Bu yöntem yüksek veri toplama oranı ve dolayısıyla yüksek görüntü kare hızı olarak ölçülen yüksek bir zamansal çözünürlük sağlamaktadır. Bu sebeple, ıraksayan dalga görüntüleme yöntemi saniyede bin görüntü kare hızından daha fazla görüntü kare hızı gerektiren hızlı ultrason görüntüleme uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Iraksayan dalga görüntüleme yöntemi, görüntülenen alanı artırabilmek maksadıyla, genellikle daha küçük dizin açıklığına sahip faz dizinli çeviriciler ile kullanılmaktadır. Daha yüksek görüntü kare hızı oranları sağlamasına rağmen, ıraksayan dalga görüntüleme yöntemi geniş ve odaklanmamış hüzme iletiminden dolayı geleneksel odaklamanın yapıldığı görüntüleme tekniklerine göre daha düşük uzaysal çözünürlüğe ve kısıtlı işaret gürültü oranına (SNR) sahiptir. Geleneksel odaklamalı görüntüleme teknikleri, her bir görüntü hattı için odaklama bölgesinde yüksek SNR ve uzaysal çözünürlük sağlayan dar hüzme iletimini kullanmaktadır.Fakat bu yöntemde yaklaşık 30 resim kare hız oranı elde edilmektedir ve bu sebepten dolayı hızlı görüntüleme uygulamalarında kullanılmamaktadır. Iraksayan dalga görüntüleme yönteminde; görüntü kare hızı, görüntü kalitesi ve SNR arasında bir denge vardır. Bu nedenle, hızlı görüntüleme yöntemlerinde yüksek görüntü kare hız oranı korunurken yüksek SNR ve çözünürlüğün elde edilebilmesi medikal ultrason alanında çözüme kavuşturulması gereken bir problem olmaya devam etmektedir. Bu tezde; zayıf ve çoklu saçılımlı, soğurmalı ve kırınımlı ortamlarda, ıraksayan dalgaların SNR maksimizasyonuna odaklanılmaktadır. Bu tezde elde edilen asıl sonuç, ıraksayan dalgalar kullanıldığında, ortama gönderilen darbenin veya kodlanmış iletim durumunda çip sinyalinin süresi azaldığında, SNR'nin derin bölgelerde iyileşmesidir. Iraksayan dalga iletimi kullanıldığında, maksimum SNR, iletilen darbe veya çip sinyali çevirici dizininin izin verdiği kadar kısa süreli olduğunda elde edilir. Bu sonuç, daha fazla iletilen enerjinin daha yüksek SNR ile sonuçlanacağı beklentisiyle uyuşmamaktadır. Zayıf ve çoklu saçılımlı ortamlarda ıraksayan dalga yayılımının analitik temeli, analitik sonuçlar elde etmek için gereken düzeyde yeterli değildir. Bu sezgisel olmayan sonucu anlamak için ya sonlu eleman analizi (FEA) ya da yarı analitik simülasyon araçları kullanılabilir. FEA simülasyonları bu sezgisel olmayan sonucu tahmin edebilir, ancak FEA simülasyonlarında ortamın ayrıntılı modellemesi oldukça karmaşıktır ve çok uzun simülasyon süreleriyle sonuçlanır. Bu durum FEA simülasyonlarının kullanımını imkansız hale getirir. Diğer görüntüleme yöntemlerinden farklı olarak, medikal ultrason görüntülemede dalga boyu yüz mikrometre mertebesindedir; bu nedenle, makul bir doku hacminin simülasyonu imkansızdır. Doğrusal uzaysal dürtü yanıtına dayalı yarı-analitik simülasyon araçları ise hatalı sonuçlar üretir çünkü yarı-analitik simülasyonlarda saçıcılar tek kutuplu kaynaklar olarak modellenir ve çoklu saçılma modellenememektedir. Zayıf ve çoklu saçılımlı ortamlarda ıraksayan dalga yayılımı problemine yönelik analitik ve simülasyon tabanlı bir çözüm bulunmadığından, sonuçların deneysel olarak doğrulanması bu tezde sunulmaktadır. Ortama iletilen ultrason enerjisi, ıraksayan dalga görüntüleme yönteminde daha geniş bir bölgeye yayılır. Enerjinin yayılımı, kırınım ve çoklu saçılım nedeniyle daha da fazla olur ve bu da enerji kaybına neden olabilmektedir. Ortama iletilen enerjinin görüntüleme bölgesinde tutulması, ıraksayan dalga görüntüleme yönteminde söz konusu enerji kaybını önler. Bu nedenle, ortama iletilen ultrason enerjisini görüntüleme sektörü içerisinde tutabilmek için en uygun ıraksayan dalga profilini belirledik. Iraksayan dalga görüntüleme yönteminde en uygun profilin kullanılması SNR maksimizasyonuna katkıda bulunmaktadır. Ortama iletilen sinyali kodlamak için tümleyici Golay dizileri ve İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama modülasyonu kullanılmıştır. Ölçümlerde veri toplamak amacıyla, bir ultrason araştırma tarayıcısı, doku taklit eden bir fantom ve 7.5 MHz merkez frekansında %70 band genişliğine sahip 128 elemanlı faz dizinli çevirici kullandık. Benek ve pin hedeflerindeki SNR, çip sinyal uzunluğu ve kod uzunluğuna göre maksimize edilmiştir. Optimize edilmiş kodlanmış ıraksayan dalga ve geleneksel tek odaklı faz dizinli görüntülemenin SNR performansları, tek kare bazında karşılaştırılmıştır. Odaklamanın yapıldığı görüntüleme yönteminin odak bölgesi SNR karşılaştırmasında referans olarak kullanılmıştır. 90°'lik görüntüleme sektörü için, 8-çiplik kodlanmış sinyalin SNR'si, çip sinyalinin süresi merkez frekansta bir periyod olduğunda maksimum olmaktadır. Optimize edilen kodlanmış ıraksayan dalganın SNR'si bütün derinliklerde ve bölgelerde geleneksel tek odaklı faz dizinli görüntüleme tekniği ile elde edilen SNR'den daha yüksektir. Bu çalışmamızda, ıraksayan dalga yöntemi kullanılarak bir görüntü karesi oluşturabilmek için gerekli olan veri 200 mikrosaniyede elde edilmiştir. Söz konusu veri toplama hızı 5000 görüntü kare hızına eşdeğerdir. Buna karşılık, geleneksel tek odaklı faz dizinli görüntüleme tekniği için gerekli olan süre 181 kat daha fazladır.
Özet (Çeviri)
Diverging wave imaging is an unfocused imaging method in which a diverging beam is transmitted to insonify the entire region of interest. This diverging beam is formed by applying appropriate time delays to each transducer array element. It provides a higher data acquisition rate and thus a higher temporal resolution, quantified as a higher frame rate. Therefore, diverging wave imaging is widely used in fast ultrasound imaging applications where rates above 1000 frames per second are required. Diverging wave imaging is generally implemented with phased array transducers having a smaller aperture than their counterparts to increase the field of view. Although diverging wave imaging allows for a high frame rate, it has a decreased spatial resolution and limited SNR due to the broader unfocused beam transmission compared to conventional focused imaging techniques. Conventional focused imaging techniques employ focused narrow beam transmissions for every image line resulting in a higher spatial resolution and SNR in the focal region. However, it offers approximately 30 frames per second, and thus it is not used in fast ultrasound imaging applications. There is a trade-off between frame rate, image quality, and SNR in diverging wave imaging. Therefore, fast imaging with high SNR and resolution while maintaining a high frame rate remains a practical problem in medical ultrasound. This thesis focuses on SNR maximization of diverging waves in weakly and multiple scattering, attenuating, and diffracting media. The primary outcome is that the SNR improves at deeper regions if the transmitted burst duration or the chip signal duration in the case of coded transmission is decreased when diverging waves are used. The maximum SNR is obtained in diverging wave transmission when the transmitted burst or the chip signal is as short-duration as the array permits. This result does not comply with the expectation implying that more transmitted energy results in higher SNR. The analytical foundation for diverging wave propagation in weakly and multiple scattering media is not sufficient at the level required to derive analytical results. In order to understand this counter-intuitive result, either finite element analysis (FEA) or semi-analytical simulation tools can be utilized. FEA can predict this counter-intuitive result, but detailed modeling of the medium is quite involved and results in very long simulation times, which renders the use of FEA impossible. Unlike the other imaging modalities, the wavelength is on the order of hundred micrometers in medical ultrasound imaging; thus, the simulation of a reasonable tissue volume is impossible. Semi-analytical simulation tools based on linear spatial impulse response produce erroneous results because scatterers are modeled as monopole sources, and multiple scattering is not modeled. As there is no analytical and simulation-based solution for this problem, the experimental verification of the results is presented. The transmitted ultrasound energy spreads over a broader region in diverging wave imaging. The energy spreading further aggravates due to diffraction and multiple scattering, which may cause energy loss. Keeping the transmitted ultrasound energy within the region of interest prevents this energy loss in diverging wave imaging. Therefore, we determined the optimum diverging wave profile to confine the transmitted ultrasound energy in the imaging sector. Using this optimized profile contributes to the SNR maximization. Complementary Golay sequences and Binary Phase Shift Keying modulation are used to code the transmitted signal. We used an ultrasound research scanner, a tissue-mimicking phantom, and a 128-element phased array transducer with 70% bandwidth at 7.5 MHz center frequency for data acquisition. The SNR in speckle and pin targets is maximized with respect to chip signal length and code length. The SNR performances of the optimized coded diverging wave and conventional single-focused phased array imaging are compared on a single frame basis. The focal region in the focused scheme is used as a reference. For the 90° imaging sector, the SNR of an 8-bit coded signal is maximum when the chip signal duration is one cycle of the center frequency. The SNR of the optimized coded diverging wave is higher than that of the conventional single-focused phased array imaging at all depths and regions. One frame of diverging wave data is acquired in 200 microseconds, equivalent to 5000 frames/s, whereas the time required for single-focused phased array imaging is 181 times more.
Benzer Tezler
- QoS-based resource management and optimization in CR-based NOMA networks
CR tabanlı NOMA ağlarında QoS tabanlı kaynak yönetimi ve optimizasyonu
ÖMER FARUK AKYOL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMİHA TEDİK BAŞARAN
- Dual codebooks for MIMO beamforming
Başlık çevirisi yok
BERTAN TEZCAN
Doktora
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of Southern CaliforniaPROF. KEITH M. CHUGG
- Novel signal processing techniques for fiber optic distributed acoustic sensing
Fiber optik dağıtık akustik algılama için yeni işaret işleme yöntemleri
İBRAHİM ÖLÇER
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ÖNCÜ
- Geliştirilmiş bir ultrasonik darbeli doppler kan akış ölçme düzeninde hata kaynaklarının analizi
The Analysis of error sources at a developed pulsed doppler blood flowmeter
İNAN GÜLER
Doktora
Türkçe
1990
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERTUĞRUL YAZGAN
- Cooperative vehicular communication systems with physical layer security and noma techniques
Fiziksel katman güvenliği ve noma teknikleri ile işbirliklikli araçlar arası iletişim sistemleri
SEMİHA KOŞU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
DR. SERDAR ÖZGÜR ATA