Model-based Filtering of Interfering Signals in Ultrasonic Time Delay Estimations

This work presents model-based algorithmic approaches for interference-invariant time delay estimation, which are specifically suited for the estimation of small time delay differences with a necessary resolution well below the sampling time. Therefore, the methods can be applied particularly well for transit-time ultrasonic flow measurements, since the problem of interfering signals is especially prominent in this application

Model-based Filtering of Interfering Signals in Ultrasonic Time Delay Estimations

In dieser Arbeit werden modellbasierte algorithmische Ansätze zur Interferenz-invarianten Zeitverschiebungsschätzung vorgestellt, die speziell für die Schätzung kleiner Zeitverschiebungsdifferenzen mit einer notwendigen Auflösung, die deutlich unterhalb der Abtastzeit liegt, geeignet sind. Daher lassen sich die Verfahren besonders gut auf die Laufzeit-basierte Ultraschalldurchflussmessung anwenden, da hier das Problem der Interferenzsignale besonders ausgeprägt ist. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Frage, wie mehrere Messungen mit unterschiedlichen Zeitverschiebungen oder Prozessparametern zur Unterdrückung der Interferenzsignale in Ultraschalldurchflussmessungen verwendet werden können, wobei eine gute Robustheit gegenüber additivem weißen Gauß\u27schen Rauschen und eine hohe Auflösung erhalten bleiben sollen. Zu diesem Zweck wird ein Signalmodell angenommen, welches aus stationären Interferenzsignalen, die nicht von wechselnden Zeitverschiebungen abhängig sind, und aus Zielsignalen, die den Messeffekt enthalten, besteht. Zunächst wird das Signalmodell einer Ultraschalldurchflussmessung und sein dynamisches Verhalten bei Temperatur- oder Zeitverschiebungsschwankungen untersucht. Ziel ist es, valide Simulationsdatensätze zu erzeugen, mit denen die entwickelten Methoden sowohl unter der Prämisse, dass die Daten perfekt zum Signalmodell passen, als auch unter der Prämisse, dass Modellfehler vorliegen, getestet werden können. Dabei werden die Eigenschaften der Signalmodellkomponenten, wie Bandbreite, Stationarität und Temperaturabhängigkeit, identifiziert. Zu diesem Zweck wird eine neue Methode zur Modellierung der Temperaturabhängigkeit der Interferenzsignale vorgestellt. Nach der Charakterisierung des gesamten Messsystems wird das Signalmodell -- angepasst an die Ultraschalldurchflussmessung -- als Grundlage für zwei neue Methoden verwendet, deren Ziel es ist, die Auswirkungen der Interferenzsignale zu reduzieren. Die erste vorgeschlagene Technik erweitert die auf der Signaldynamik basierenden Ansätze in der Literatur, indem sie die Voraussetzungen für die erforderliche Varianz der Zeitverschiebungen abschwächt. Zu diesem Zweck wird eine neue Darstellung von mehreren Messsignalen als Punktwolken eingeführt. Die Punktwolken werden dann mithilfe der Hauptkomponentenanalyse und B-Splines verarbeitet, was entweder zu Interferenz-invarianten Zeitverschiebungsschätzungen oder geschätzten Interferenzsignalen führt. In diesem Zusammenhang wird eine neuartige gemeinsame B-Spline- und Registrierungsschätzung entwickelt, um die Robustheit zu erhöhen. Der zweite Ansatz besteht in einer regressionsbasierten Schätzung der Zeitverschiebungsdifferenzen durch das Erlernen angepasster Signalunterräume. Diese Unterräume werden effizient durch die Analytische Wavelet Packet Transformation berechnet, bevor die resultierenden Koeffizienten in Merkmale transformiert werden, die gut mit den Zeitverschiebungssdifferenzen korrelieren. Darüber hinaus wird ein neuartiger, unbeaufsichtigter Unterraum-Trainingsansatz vorgeschlagen und mit den konventionellen Filter- und Wrapper-basierten Merkmalsauswahlmethoden verglichen. Schließlich werden beide Methoden in einem experimentellen Ultraschalldurchflussmesssystem mit einem hohen Maß an vorhandenen Interferenzsignalen getestet, wobei sich zeigt, dass sie in den meisten Fällen den Methoden aus der Literatur überlegen sind. Die Qualität der Methoden wird anhand der Genauigkeit der Zeitverschiebungsschätzung bewertet, da die Grundwahrheit für die Interferenzsignale nicht zuverlässig bestimmt werden kann. Anhand verschiedener Datensätze werden die Abhängigkeiten von den Hyperparametern, den Prozessbedingungen und, im Falle der regressionsbasierten Methode, dem Trainingsdatensatz analysiert

Model-based Filtering of Interfering Signals in Ultrasonic Time Delay Estimations

This work presents model-based algorithmic approaches for interference-invariant time delay estimation, which are specifically suited for the estimation of small time delay differences with a necessary resolution well below the sampling time. Therefore, the methods can be applied particularly well for transit-time ultrasonic flow measurements, since the problem of interfering signals is especially prominent in this application

Hippocampal sparing radiotherapy for glioblastoma patients: a planning study using volumetric modulated arc therapy

Background: The purpose of this study is to investigate the potential to reduce exposure of the contralateral hippocampus in radiotherapy for glioblastoma using volumetric modulated arc therapy (VMAT). Methods: Datasets of 27 patients who had received 3D conformal radiotherapy (3D-CRT) for glioblastoma with a prescribed dose of 60Gy in fractions of 2Gy were included in this planning study. VMAT plans were optimized with the aim to reduce the dose to the contralateral hippocampus as much as possible without compromising other parameters. Hippocampal dose and treatment parameters were compared to the 3D-CRT plans using the Wilcoxon signed-rank test. The influence of tumour location and PTV size on the hippocampal dose was investigated with the Mann-Whitney-U-test and Spearman's rank correlation coefficient. Results: The median reduction of the contralateral hippocampus generalized equivalent uniform dose (gEUD) with VMAT was 36 % compared to the original 3D-CRT plans (p < 0.05). Other dose parameters were maintained or improved. The median V30Gy brain could be reduced by 17.9 % (p < 0.05). For VMAT, a parietal and a non-temporal tumour localisation as well as a larger PTV size were predictors for a higher hippocampal dose (p < 0.05). Conclusions: Using VMAT, a substantial reduction of the radiotherapy dose to the contralateral hippocampus for patients with glioblastoma is feasible without compromising other treatment parameters. For larger PTV sizes, less sparing can be achieved. Whether this approach is able to preserve the neurocognitive status without compromising the oncological outcome needs to be investigated in the setting of prospective clinical trials