Coded excitation and conventional pulses on the formation of ultrasonic signals within the medical context : a comparative study

Orientador: Eduardo Tavares CostaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Técnicas de excitação codificadas estão bem estabelecidas na comunidade científica e na indústria de aplicações de ultrassom em medicina. Sua principal habilidade é alongar temporalmente o pulso transmitido com modulações, comprimindo posteriormente a saída, na recepção, geralmente através de filtro casado, a fim de restaurar a resolução espacial outrora perdida. Seu objetivo é transpor as limitações impostas por técnicas convencionais (Gaussian-like short-pulse) e pela atenuação e propagação não linear, dependente da frequência, das ondas acústicas no tecido biológico. O uso de sinais modulados permite aumentar o ganho na relação sinal-ruído (SNR) ao mesmo tempo em que mantém ou até pode melhorar a resolução axial de sistemas por ultrassom, sem comprometer os níveis de segurança exigidos por órgão reguladores relativamente à intensidade acústica transmitida. O presente trabalho apresenta um estudo comparativo entre excitações convencional e codificada, utilizando modulações em frequência e em fase, dentro do contexto de formação de sinais ultrassônicos unidimensionais, avaliando principalmente a SNR e a resolução axial. Modelamos um transdutor monoelemento sem focalização, ressonando em 5 MHz. Todo o estudo foi realizado através de simulações numéricas e computacionais, tendo como ponto de partida os princípios envolvidos na formulação de esquemas excitação/compressão de pulso, baseada na análise de três diferentes tempos de duração dos pulsos: 5 (curta), 10 (média) e 20 ?s (longa). Nos resultados, traçamos curvas de desempenho em termos da degradação produzida por lóbulos laterais temporais e resolução axial, e apresentamos como um mecanismo factível de excitação/compressão pode ser construído. Observamos um ganho na SNR entre 13 e 18 dB, com erros dentro de 1,2 e 1,8 dB, em meio sem atenuação, podendo atingir valores acima de 60 dB, em um meio com atenuação, ante específicas condições. Complementarmente, investigamos os limites de aplicação do conceito de espalhadores equivalentes (DANTAS, COSTA, & LEEMAN, 2005) dentro do contexto de excitações codificadasAbstract: Coded excitation techniques are well established in the scientific community and in the industry for medical ultrasound applications. Its main ability is to elongate the transmitted pulse through modulations, then subsequently compressing the output, at the reception, in order to recover the spatial resolution with matched filter. The goal is to overcome the limitations imposed by a Gaussian short-pulse transmission and by the attenuation and non-linear propagation dependence on the frequency of acoustic waves in biological tissues. The use of modulated signals increases the signal-to-noise ratio (SNR) gain while maintaining or even improving the axial resolution of the ultrasonic system without compromising the required safety levels imposed by regulatory agencies with respect to the transmitted acoustic waves. This work presents a comparative study between conventional and coded excitations, using frequency and phase modulations, within the context of the formation of one-dimensional ultrasonic signals, mainly evaluating SNR and axial resolution. We model a non-focusing single-element transducer resonating at 5 MHz. The whole study was carried out through numerical and computational simulations, having as the starting point the foundations involved in the formulation of an excitation/compression pulse scheme, based on the analysis of three different pulse duration times: 5 (short), 10 (medium) and 20 (long) ?s. In the results evaluation, we plot performance curves between the degradation produced by temporal sidelobes and axial resolution and present how a feasible excitation/compression mechanism can be constructed. Moreover, we observed a SNR gain between 13 and 18 dB, with errors within 1.2 and 1.8 dB, in a non-attenuating medium, and under specific conditions, considering an attenuating medium, the SNR gain can reach values above 60 dB. Additionally, we applied the coded excitations scenario to study the application limits of the equivalent scatters concept developed by DANTAS, COSTA, & LEEMAN (2005)MestradoEngenharia BiomedicaMestre em Engenharia ElétricaCAPE