Optimization of Contrast to Tissue Ratio by Frequency Adaptation in Pulse Inversion Imaging

Simulation program available : http://www.runmycode.org/companion/view/1956International audienceContrast imaging has significantly improved clinical diagnosis by increasing the contrast-to-tissue ratio after microbubble injection. Pulse inversion imaging is the most commonly used contrast imaging technique, as it greatly increases the contrast-to-tissue ratio by extracting microbubble nonlinearities. The main purpose of our study was to propose an automatic technique providing the best contrast-to-tissue ratio throughout the experiment. For reasons of simplicity, we proposed to maximize the contrast-to-tissue ratio with an appropriate choice of the transmit frequency. The contrast-to-tissue ratio was maximized by a closed loop system including the pulse inversion technique. An algorithm based on the gradient provided iterative determination of the optimal transmit frequency. The optimization method converged quickly after six iterations. This optimal control method is easy to implement and it optimizes the contrast-to-tissue ratio by selecting the transmit frequency adaptively

Analysis and modelling of the Optimal Command for a Ultrasound Pulse Inversion Imaging System

International audienceOver the past twenty years, in ultrasound imaging, contrast and resolution were improved by using the nonlinearties of the medium. One of the most common techniques which used this properties is the pulse inversion imaging. The optimization of this imaging system that we proposed has consisted in finding the optimal command. However, the properties which enable to make an optimal command was not known and that is why we seek the best optimal command by exciting the system by random sequences. In this study, we proposed two steps in our analysis: an analysis and a modelling stage. The proposed model took into account the nonlinearity of the optimal command and enabled to describe the optimal command by using some parameters. If the synthetic model was used in the pulse inversion imaging system, the contrast can reach the same performances

Random excitation by optimized pulse inversion in contrast harmonic imaging

ISBN: 978-2-919340-01-9 EAN: 9782919340019International audienceOver the past twenty years, in ultrasound contrast imaging, new physiological information are obtained by the detection of non-linearities generated by the microbubbles. One of the most used techniques is the pulse inversion imaging. The usual command of this system is a fixed-frequency sinus wave. An optimal choice of this command requires the knowledge of the transducer and of the medium to obtain the best contrast-to-tissue ratio. However, these information are experimentally inaccessible. Our goal is to seek the command which maximizes the contrast-to-tissue ratio. Among several noises, we identified the one which maximized the contrast-to-tissue ratio. A new suboptimal control was made from the parameters of a nonlinear autoregressive filter and from suboptimal noise. The contrast-to-tissue ratio was then iteratively optimized by the method of Nelder-Mead which adjusted the filter parameters. The gain compared to the case in which we used at the optimal frequency can reach about 1 dB and 5 dB in comparison to the center frequency of the transducer. By adding a closed loop, the system automatically proposes the optimal command without any a priori knowledge of the system or of the medium explored and without any hypothesis about the shape of the command

Fundamental and Harmonic Ultrasound Image Joint Restoration

L'imagerie ultrasonore conserve sa place parmi les principales modalités d'imagerie en raison de ses capacités à révéler l'anatomie et à inspecter le mouvement des organes et le flux sanguin en temps réel, d'un manière non invasive et non ionisante, avec un faible coût, une facilité d'utilisation et une grande vitesse de reconstruction des images. Néanmoins, l'imagerie ultrasonore présente des limites intrinsèques en termes de résolution spatiale. L'amélioration de la résolution spatiale des images ultrasonores est un défi actuel et de nombreux travaux ont longtemps porté sur l'optimisation du dispositif d'acquisition. L'imagerie ultrasonore à haute résolution atteint cet objectif grâce à l'utilisation de sondes spécialisées, mais se confronte aujourd'hui à des limites physiques et technologiques. L'imagerie harmonique est la solution intuitive des spécialistes pour augmenter la résolution lors de l'acquisition. Cependant, elle souffre d'une atténuation en profondeur. Une solution alternative pour améliorer la résolution est de développer des techniques de post-traitement comme la restauration d'images ultrasonores. L'objectif de cette thèse est d'étudier la non-linéarité des échos ultrasonores dans le processus de restauration et de présenter l'intérêt d'incorporer des images US harmoniques dans ce processus. Par conséquent, nous présentons une nouvelle méthode de restauration d'images US qui utilise les composantes fondamentales et harmoniques de l'image observée. La plupart des méthodes existantes sont basées sur un modèle linéaire de formation d'image. Sous l'approximation de Born du premier ordre, l'image RF est supposée être une convolution 2D entre la fonction de réflectivité et la réponse impulsionelle du système. Par conséquent, un problème inverse résultant est formé et résolu en utilisant un algorithme de type ADMM. Plus précisément, nous proposons de récupérer la fonction de reflectivité inconnue en minimisant une fonction composée de deux termes de fidélité des données correspondant aux composantes linéaires (fondamentale) et non linéaires (première harmonique) de l'image observée, et d'un terme de régularisation basé sur la parcimonie afin de stabiliser la solution. Pour tenir compte de l'atténuation en profondeur des images harmoniques, un terme d'atténuation dans le modèle direct de l'image harmonique est proposé sur la base d'une analyse spectrale effectuée sur les signaux RF observés. La méthode proposée a d'abord été appliquée en deux étapes, en estimant d'abord la réponse impulsionelle, suivi par la fonction de réflectivité. Dans un deuxième temps, une solution pour estimer simultanément le réponse impulsionelle et la fonction de réflectivité est proposée, et une autre solution pour prendre en compte la variabilité spatiale du la réponse impulsionelle est présentée. L'intérêt de la méthode proposée est démontré par des résultats synthétiques et in vivo et comparé aux méthodes de restauration conventionnelles

Vocal fold vibratory and acoustic features in fatigued Karaoke singers

Session 3aMU - Musical Acoustics and Speech Communication: Singing Voice in Asian CulturesKaraoke is a popular singing entertainment particularly in Asia and is gaining more popularity in the rest of world. In Karaoke, an amateur singer sings with the background music and video (usually guided by the lyric captions on the video screen) played by Karaoke machine, using a microphone and an amplification system. As the Karaoke singers usually have no formal training, they may be more vulnerable to vocal fatigue as they may overuse and/or misuse their voices in the intensive and extensive singing activities. It is unclear whether vocal fatigue is accompanied by any vibration pattern or physiological changes of vocal folds. In this study, 20 participants aged from 18 to 23 years with normal voice were recruited to participate in an prolonged singing task, which induced vocal fatigue. High speed laryngscopic imaging and acoustic signals were recorded before and after the singing task. Images of /i/ phonation were quantitatively analyzed using the High Speed Video Processing (HSVP) program (Yiu, et al. 2010). It was found that the glottis became relatively narrower following fatigue, while the acoustic signals were not sensitive to measure change following fatigue. © 2012 Acoustical Society of Americapublished_or_final_versio

Apport de nouvelles techniques dans l’évaluation de patients candidats à une chirurgie d’épilepsie : résonance magnétique à haut champ, spectroscopie proche infrarouge et magnétoencéphalographie

L'épilepsie constitue le désordre neurologique le plus fréquent après les maladies cérébrovasculaires. Bien que le contrôle des crises se fasse généralement au moyen d'anticonvulsivants, environ 30 % des patients y sont réfractaires. Pour ceux-ci, la chirurgie de l'épilepsie s'avère une option intéressante, surtout si l’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale révèle une lésion épileptogène bien délimitée. Malheureusement, près du quart des épilepsies partielles réfractaires sont dites « non lésionnelles ». Chez ces patients avec une IRM négative, la délimitation de la zone épileptogène doit alors reposer sur la mise en commun des données cliniques, électrophysiologiques (EEG de surface ou intracrânien) et fonctionnelles (tomographie à émission monophotonique ou de positrons). La faible résolution spatiale et/ou temporelle de ces outils de localisation se traduit par un taux de succès chirurgical décevant. Dans le cadre de cette thèse, nous avons exploré le potentiel de trois nouvelles techniques pouvant améliorer la localisation du foyer épileptique chez les patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie d’épilepsie : l’IRM à haut champ, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et la magnétoencéphalographie (MEG). Dans une première étude, nous avons évalué si l’IRM de haut champ à 3 Tesla (T), présentant théoriquement un rapport signal sur bruit plus élevé que l’IRM conventionnelle à 1,5 T, pouvait permettre la détection des lésions épileptogènes subtiles qui auraient été manquées par cette dernière. Malheureusement, l’IRM 3 T n’a permis de détecter qu’un faible nombre de lésions épileptogènes supplémentaires (5,6 %) d’où la nécessité d’explorer d’autres techniques. Dans les seconde et troisième études, nous avons examiné le potentiel de la SPIR pour localiser le foyer épileptique en analysant le comportement hémodynamique au cours de crises temporales et frontales. Ces études ont montré que les crises sont associées à une augmentation significative de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et l’hémoglobine totale au niveau de la région épileptique. Bien qu’une activation contralatérale en image miroir puisse être observée sur la majorité des crises, la latéralisation du foyer était possible dans la plupart des cas. Une augmentation surprenante de l’hémoglobine désoxygénée a parfois pu être observée suggérant qu’une hypoxie puisse survenir même lors de courtes crises focales. Dans la quatrième et dernière étude, nous avons évalué l’apport de la MEG dans l’évaluation des patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie. Il s’est avéré que les localisations de sources des pointes épileptiques interictales par la MEG ont eu un impact majeur sur le plan de traitement chez plus des deux tiers des sujets ainsi que sur le devenir postchirurgical au niveau du contrôle des crises.Epilepsy is the most common chronic neurological disorder after stroke. The major form of treatment is long-term drug therapy to which approximately 30% of patients are unfortunately refractory to. Brain surgery is recommended when medication fails, especially if magnetic resonance imaging (MRI) can identify a well-defined epileptogenic lesion. Unfortunately, close to a quarter of patients have nonlesional refractory focal epilepsy. For these MRI-negative cases, identification of the epileptogenic zone rely heavily on remaining tools: clinical history, video-electroencephalography (EEG) monitoring, ictal single-photon emission computed tomography (SPECT), and a positron emission tomography (PET). Unfortunately, the limited spatial and/or temporal resolution of these localization techniques translates into poor surgical outcome rates. In this thesis, we explore three relatively novel techniques to improve the localization of the epileptic focus for patients with drug-resistant focal epilepsy who are potential candidates for epilepsy surgery: high-field 3 Tesla (T) MRI, near-infrared spectroscopy (NIRS) and magnetoencephalography (MEG). In the first study, we evaluated if high-field 3T MRI, providing a higher signal to noise ratio, could help detect subtle epileptogenic lesions missed by conventional 1.5T MRIs. Unfortunately, we show that the former was able to detect an epileptogenic lesion in only 5.6% of cases of 1.5T MRI-negative epileptic patients, emphasizing the need for additional techniques. In the second and third studies, we evaluated the potential of NIRS in localizing the epileptic focus by analyzing the hemodynamic behavior of temporal and frontal lobe seizures respectively. We show that focal seizures are associated with significant increases in oxygenated haemoglobin (HbO) and total haemoglobin (HbT) over the epileptic area. While a contralateral mirror-like activation was seen in the majority of seizures, lateralization of the epileptic focus was possible most of the time. In addition, an unexpected increase in deoxygenated haemoglobin (HbR) was noted in some seizures, suggesting possible hypoxia even during relatively brief focal seizures. In the fourth and last study, the utility of MEG in the evaluation of nonlesional drug-refractory focal epileptic patients was studied. It was found that MEG source localization of interictal epileptic spikes had an impact both on patient management for over two thirds of patients and their surgical outcome

Digital Predistortion of Pseudo-Orthogonal Wideband Waveforms for Dual-Polarimetric Phased Array Radars

Many new and interesting radar operational modes and techniques are being explored to maximize the efficiency and utility of next-generation radar systems while complying with increasingly stringent operational and budgeting requirements. This dissertation's aim is to analyze and present possible techniques to help maximize the scientific value of measurements while complying with operational requirements through methods of physical transmission and exciting the target area, methods of processing the received waveforms, and methods of designing waveforms for a given system. In regard to methods of physical transmission and exciting the target area, this dissertation addresses unique problems that will be faced by next-generation radar systems utilizing simultaneous transmit and simultaneous receive operational modes in polarimetric active phased array architectures. This is accomplished through establishing mathematical representations of the received complex baseband waveforms for dual-polarimetric radar operation and analyzing the predicted behavior versus traditional polarimetric radar alternating transmit and simultaneous receive operation. In regard to methods of processing the received waveforms, pulse compression will undoubtedly be widely utilized in future radar systems due to the increase in range resolution that it provides for a given pulse length. Additionally, matched filtering allows the realization of simultaneously transmitted pseudo-orthogonal waveforms occupying the same spectral region that would be otherwise impossible. As a result, the mathematical basis of pulse compression is provided, and pulse compression effects are taken into account in all relevant system analyses in this manuscript. This dissertation arguably provides the most attention in regard to methods for designing and modifying waveforms for application in a given system. An analysis of common pulse compression waveforms for suitability in pseudo-orthogonal waveform sets is provided in addition to a novel method for designing polyphase coded waveform and non-linear frequency modulated waveform based pseudo-orthogonal waveform sets utilizing particle swarm optimization. Additionally, for the first time, research is presented on the full design and application methods for digital predistortion of wideband solid state radar amplifiers. Digital predistortion methods and results are presented for both the impedance matched high power amplifier case and for the varying load impedance case that can be expected to be encountered in radar systems utilizing electronic beamsteering in active phased array architectures. Overall, this dissertation's aim is to provide relevant results from conducted research in the form of analysis and novel design methods that can be applied in both the design and operation of next-generation radar systems to maximize utility and scientific data quality while operating within given system and environmental specifications