Experimental 3-D Ultrasound Imaging with 2-D Sparse Arrays using Focused and Diverging Waves

International audienceThree dimensional ultrasound (3-D US) imaging methods based on 2-D array probes are increasingly investigated. However, the experimental test of new 3-D US approaches is contrasted by the need of controlling very large numbers of probe elements. Although this problem may be overcome by the use of 2-D sparse arrays, just a few experimental results have so far corroborated the validity of this approach. In this paper, we experimentally compare the performance of a fully wired 1024-element (32 × 32) array, assumed as reference, to that of a 256-element random and of an " optimized " 2-D sparse array, in both focused and compounded diverging wave (DW) transmission modes. The experimental results in 3-D focused mode show that the resolution and contrast produced by the optimized sparse array are close to those of the full array while using 25% of elements. Furthermore, the experimental results in 3-D DW mode and 3-D focused mode are also compared for the first time and they show that both the contrast and the resolution performance are higher when using the 3-D DW at volume rates up to 90/second which represent a 36x speed up factor compared to the focused mode

Parallel integral projection transform for straight electrode localization in 3-D ultrasound images

In surgical practice, small metallic instruments are frequently used to perform various tasks inside the human body. We address the problem of their accurate localization in the tissue. Recent experiments using medical ultrasound have shown that this modality is suitable for real-time visualization of anatomical structures as well as the position of surgical instruments. We propose an image- processing algorithm that permits automatic estimation of the position of a line-segment-shaped object. This method was applied to the localization of a thin metallic electrode in biological tissue. We show that the electrode axis can be found through maximizing the parallel integral projection transform that is a form of the Radon transform. To accelerate this step, hierarchical mesh-grid algorithm is implemented. Once the axis position is known, localization of the electrode tip is performed. The method was tested on simulated images, on ultrasound images of a tissue mimicking phantom containing a metallic electrode, and on real ultrasound images from breast biopsy. The results indicate that the algorithm is robust with respect to variations in electrode position and speckle noise. Localization accuracy is of the order of hundreds of micrometers and is comparable to the ultrasound system axial resolution

A bulk modulus dependent linear model for acoustical imaging

Modeling the acoustical process of soft biological tissue imaging and understanding the consequences of the approximations required by. such modeling are key steps for accurately simulating ultrasonic scanning as well as estimating the scattering coefficient of the imaged matter. In this document, a linear solution to the inhomogeneous ultrasonic wave equation is proposed. The classical assumptions required for linearization are applied; however, no approximation is made in the mathematical development regarding density and speed of sound. This leads to an expression of the scattering term that establishes a correspondence between the signal measured by an ultrasound transducer and an intrinsic mechanical property of the imaged tissues. This expression shows that considering the scattering as a function of small variations in the density and speed of sound around their mean values along with classical assumptions in this domain is equivalent to associating the acoustical acquisition with a measure of the relative longitudinal bulk modulus. comparison of the model proposed to Jensen's earlier model shows that it is also appropriate to perform accurate simulations of the acoustical imaging process. (C) 2009 Acoustical Society of America. [DOI: 10.1121/1.3087427

Contrôle temporel et spatial de la cavitation acoustique pour des tests de thrombolyse ultrasonore extracorporelle

Les ultrasons focalisés permettent de détruire des caillots sanguins notamment en exploitant les effets mécaniques associés à la cavitation acoustique, dont la dynamique complexe reste un obstacle à l'élaboration d'un dispositif thérapeutique. Un meilleur contrôle de cette dynamique est donc nécessaire pour le développement d'une telle application. Un système permettant le contrôle temporel et spatial de la cavitation en régime pulsé a donc été développé dans le but de réaliser des tests de thrombolyse ultrasonore extracorporelle. Ce système utilise, d'une part, un transducteur focalisé, un hydrophone et une boucle de rétroaction, réalisée à l'aide d'un dispositif FPGA, pour réguler l'activité de cavitation et, d'autre part, un système d'échographie, et un bras robotisé permettant le placement et le balayage par la sonde de thérapie du caillot sanguin à traiter. Le contrôle de la cavitation a été testé et caractérisé en eau dégazée. Les essais ont montré, d'une part, que le système de régulation permet d'atteindre un niveau de cavitation souhaité en régime pulsé de manière très reproductible et avec une bonne stabilité temporelle et, d'autre part, qu'il permet de repérer où se situe le nuage de cavitation le long de l'axe acoustique

Passive cavitation imaging using an open ultrasonic system and time reversal reconstruction

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde. Elles sont le plus souvent provoquées par l'obstruction des vaisseaux par des caillots sanguins entrainant un manque d'oxygène dans les cellules. La thrombolyse ultrasonore extracorporelle constituerait un traitement innovant utilisant des ultrasons focalisés pour détruire les caillots sanguins en tirant parti de l'aspect mécanique de la cavitation acoustique. Un prototype a été conçu et amélioré afin de contrôler l'activité de cavitation. Pour suivre le processus de cavitation en temps réel, un système d'imagerie ultrasonore ouvert est utilisé. Les données brutes sont acquises en utilisant une sonde linéaire de 64 éléments actifs dans un mode d'imagerie passive. Lors du traitement de ces données, sur le principe du retournement temporel, le signal acoustique enregistré par la sonde est retro-propagées afin de localiser l'activité de cavitation

IMAGERIE DES PRODUITS DE CONTRASTE ULTRASONORE (SIMULATION ET APPROCHE DE LA PERFUSION MYOCARDIQUE)

VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Simulation, estimation spectrale et imagerie des agents de contraste ultrasonores

Dans cette thèse, nous apportons notre contribution aux techniques permettant de rendre l'utilisation des agents de contraste ultrasonore plus performante. Dans un premier temps, nous avons développé un simulateur d'imagerie échographique de contraste (SECI) qui permet de simuler la formation d'images ultrasonores avec agent de contraste. Il prend en compte, la sonde, le milieu de propagation des ultrasons et le comportement individuel, non linéaire, de chaque bulle. Des simulations de bulles isolées, en fonction du MI, de la fréquence incidente et du rayon au repos ont été réalisées. Dans un second temps, nous avons validé SECI avec des acquisitions in vitro. Puis une étude expérimentale de l'agent de contraste a été menée, en fonction du MI. Finalement nous avons proposé des paramètres dédiés à la visualisation des agents de contraste basés sur l'estimation spectrale, la modélisation AR et la projection atomique. Ces paramètres ont été testés sur des acquisitions in vitro et in vivoIn this work, we contribute to make ultrasound contrast agent simpler and more effective to use. First we developed a Simulator of Echo Contrast Imaging (SECI). SECI can simulate ultrasound imaging with contrast agent. It takes into account the probe, the propagating medium, the individual, non linear, response of each bubble. Simulations of bubbles alone, have also been performed, at different MI, transmit frequency, and radius. Then, we validate SECI by comparison with in-vitro experiments. An experimental study of the influence of the MI over the contrast agent behavior has been done. Finally, visualization techniques, based on spectral estimation, auto-regressive modelization, and atomical projection have been tested on in-vitro and in-vivo acquisitionLYON1-BU.Sciences (692662101) / SudocSudocFranceF

Localisation échographique d'inclusions fortement échogènes en tissus mous (application à la détection d'électrode)

L'utilisation clinique de micro outils pose le problème de leur visualisation per opératoire. L'échographie est une solution intéressante à ce problème par son innocuité, son aspect temps-réel et son faible coût, mais souffre malgré tout de difficultés pratiques. Nous présentons de nouvelles approches théoriques, méthodologiques et pratiques pour permettre d'utiliser de manière fiable et précise l'échographie pour le repérage et la visualisation de micro inclusion métalliques de forme linéaire dans les tissus biologiques. Une modification des hypothèses classiques en échographie permet de donner un sens nouveau à la mesure ultrasonore en l'exprimant en fonction du module de compression local ; cela permet aussi d'effectuer une déconvolution. Une autre approche basée sur le cône d'ombre formé par la cible permet de distinguer celle-ci des tissus biologiques et de réduire la région d'intérêt aux seules lignes ultrasonores ayant intercepté l'inclusion. Enfin une implémentation spécifique de la projection intégrale parallèle pour les acquisisitions échographiques est présentée. Son gain minimal en résolution obtenu sur des images sectorielles est de 5. Un échographe commercial a été modifié en appareil de recherche pour délivrer le signal radiofréquence (RF) et les acquisitions volumiques réalisées ont permis de tester l'ensemble des méthodes sur des données réelles avec une cible de 150 [mu]m de diamètre. Le gain global en résolution obtenu est de 13LYON1-BU.Sciences (692662101) / SudocSudocFranceF

Tracking biopsy needle using Kalman filter and RANSAC algorithm with 3D ultrasound

International audienceRANSAC algorithm has been implemented for the detection of micro-tools (biopsy metallic needles) inserted in human tissue, and this method has the capacity to detect the position of the needle in real time. However, RANSAC algorithm depends on randomly selected models so that the robustness is poor. Therefore, a Kalman filter has been added in order to increase the stability, and realize an application in a dynamic situation. A constant velocity model was chosen for the Kalman filter. The result from RANSAC algorithm (estimate tip position of needle) was set as one part of the measurement vector. Because the speed of insertion is unknown, the speckle tracking method was added to measure the inserting speed, which is another measurement for Kalman filter. The predicted tip position of Kalman filter was compared with that of RANSAC result. The simulation has been done with the simulated volume in both static situation and dynamic situation. The result shows that in static situation, the root mean square error (RMSE) of Kalman was reduced 44.79% compared with RANSAC; in dynamic situation, the RMSE of Kalman filter was reduce by 26.5%