Untersuchung der Abbildungseigenschaften eines 3D-Ultraschall-Computertomographen zur Berechnung der 3D-Abbildungsfunktion und Herleitung einer optimierten Sensorgeometrie

Am Forschungszentrum Karlsruhe wird ein neues bildgebendes Verfahren zur verbesserten Diagnose von Brustkrebs entwickelt: Die 3D-Ultraschall-Computertomographie. Die Untersuchung der Abbildungseigenschaften ermittelt die Möglichkeiten und Grenzen der Bildgebung. In dieser Arbeit werden die wesentlichen Systemparameter ermittelt, hinsichtlich ihres Einflusses auf die Abbildungseigenschaften bewertet und eine Optimierung des Gesamtsystems bezüglich der erreichbaren Bildqualität durchgeführt

Entwicklung einer neuen Methode zur Ansteuerung von Ultraschall-Phased Arrays

Die Ansteuerung von Ultraschall-Phased-Arrays basiert auf zwei Vereinfachungen. Zum einen wird davon ausgegangen, dass das Schwingungsverhalten aller Einzelelemente synchron und gleichmäßig ist. Zum anderen erfolgt die Berechnung der Ansteuerungszeiten, den sogenannten Focal Laws, auf dem Ansatz der geometrischen Akustik. Beide Aspekte werden in dieser Arbeit ausführlich analysiert und neue Vorschläge für eine optimale Ansteuerung ausgearbeitet und simulativ sowie messtechnisch bewertet. Das individuelle Schwingungsverhalten der Einzelelemente von Phased Arrays liegt in einer Vielzahl von Toleranzen der Einzelkomponenten und der Fertigungsschritte begründet. Für die quantitative Bewertung kann die mechanische Auslenkung mittels Laser-Doppler-Vibrometrie lokal erfasst und evaluiert werden. Die Kompensation individueller Latenzzeiten im Ansprechverhalten führt dann unmittelbar zu einem höheren Summensignal im anvisierten Fokuspunkt. Um den Einfluss der tatsächlichen Aperturgeometrie von Einzelelementen auf die Qualität des Summensignals des Phased Arrays zu untersuchen, wurde außerdem eine Simulationsumgebung (4D-CEFIT-PSS) entwickelt. Damit ist die Wellenausbreitung unter Berücksichtigung aller wellenphysikalischer Effekte im Halbraum möglich. Somit wurden verschiedene Aperturmodelle erstellt und sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich analysiert. Die wellenphysikalische Simulation ermöglicht die Berechnung modifizierter Focal Laws, die immer zu einer Verbesserung des Summensignals im Vergleich zum Ansatz mit geometrischer Akustik führen.Ultrasonic linear phased array probes consist of several single elements. By exciting each element at a certain time wave fronts can be tilted, focused or both combined. This is accomplished by a set of delays which is called "focal law". Hence, the shape and the quality of the resulting wave front depends significantly on focal law calculation. This state-of-the-art method is based on two simplifications: firstly on the assumption that each single element has identical vibration behaviour, and secondly on the simple geometrical approximation of the signal propagation time. In this work both aspects will be investigate in detail. For characterization of the individual vibration behaviour the most important transducer parts and theirs acoustical properties will be presented. The theoretical view on the inner structure is completed by two measuring methods: scanning acoustic microscopy as well as computed tomography. Furthermore, the effective mechanical displacement of the transducer interface will be analyzed by Laser Doppler vibrometry. Hence, the individual vibration behaviour of the single elements can be compensated which yields an optimized superposition. To investigate the second assumption the 4D-CEFIT-PSS simulation environment has been developed. The combination of CEFIT (cylindric elasto dynamic finite integration technique) and PSS (point source synthesis) considers all effects of wave physics. A comprehensive parametric study shows the effects of geometrical aperture size concerning resulting signals in decided focal points. The differences of wave propagation in the time and frequency domain will be pointed out. Concluding, focal laws were calculated with the geometrical and the simulation based approach. The resulting wave propagation is simulated for selected focal points. The results were compared both ways, qualitatively and quantitatively. Hereby the difference between both methods was distinguishable. The outcome is a method for modified focal law calculation. Both, the consideration of the individual vibration characteristics and the application of the new focal laws result in higher signal-to-noise ratios for linear phased arrays

Optimierung von Bildgebungsverfahren für die 3D-Ultraschall-Computertomographie

Die 3D-Ultraschall-Computer-Tomographie (3D-USCT) als neuartiges bildgebendes Verfahren hat eine verbesserte Brustkrebsdiagnose als Ziel. Die genutzte 3D-Bildrekonstruktion mit Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) ist dabei sehr rechenintensiv. In dieser Arbeit werden Erweiterungen der SAFT für heterogenes Brustgewebe erforscht. Es werden Lösungen und neuartigen Methoden aufgezeigt, die eine klinische Anwendbarkeit für heterogene Medien mit einem Hochleistungs-GPU-Server ermöglichen

Real-Time Ultrasoundsimulation for Medical Training

Abstract: This thesis presents a real-time capable GPU-based ultrasound simulator suitable for medical education. The main focus of the simulator is to synthesize realistic looking ultrasound images in real-time including artifacts, which are essential for the interpretation of this data. The simulation is based on a convolution-enhanced ray-tracing approach and uses a deformable meshmodel. Our method advances the state of the art for real-time capable ultrasound simulators by following the path of the ultrasound pulse, which enables better simulation of ultrasound-specific artifacts. An evaluation of our proposed method in comparison with recent generative slicing-based strategies as well as real ultrasound images is performed. Hereby, a gelatin ultrasound phantom containing syringes filled with different media is scanned with a real transducer. The obtained images are then compared to images which are simulated using a slicing-based technique and our proposed method. The particular benefit of our method is the accurate simulation of ultrasound-specific artifacts, like range distortion, refraction and acoustic shadowing

Abbildungsmethoden für die Brust mit einem 3D-Ultraschall-Computertomographen

In dieser Arbeit wird die Theorie, Implementierung und Evaluierung von Algorithmen der Ultraschall-Transmissionstomographie für den am KIT entwickelten Prototypen 3D-USCT II behandelt. Bisherige Arbeiten gehen von idealen Voraussetzungen aus, diese Arbeit befasst sich hingegen mit der Bildrekonstruktion rauschbehafteter Echtdaten, die in einer klinischen Pilotstudie aufgenommen wurden. Von drei Krebsfällen konnten mit den Methoden dieser Arbeit zwei eindeutig identifiziert werden