Ultrafast, broadband and multi-pulse transmissions for ultrasonic imaging
Emission d'ondes multi-impulsions, planes et larges bandes pour l'acquisition d'images ultrasonores
Résumé
Ultrasound imaging is a diagnostic tool widely used thanks to such virtues as real-time data acquisition / processing, ease of use and safety for the patient / practitioner during examination. However, when compared to other imaging methods such as X-ray tomography and Magnetic Resonance Imaging, the echography has the disadvantage to provide relatively low image quality. In this thesis, we study a method that is able to increase the ultrasound image quality, thus paving the way towards improved diagnostics based on echography and novel ultrasound applications. In order to increase the echo signal to noise ratio of the received signals, we propose to use linear frequency modulated signals, also called chirps. To avoid the negative effect of the bandlimited acquisition probe, we apply a pre-enhancement step on the probe excitation signals in order to boost the signal energy in the frequency bands where the probe is less efficient. To compress the echo energy in reception, we use Wiener filters that allow obtaining a good trade-off between the spatial resolution and noise stability. We apply the previously detailed pipeline, also called REC (Resolution Enhancement Technique) on ultrafast imaging schemes. We show promising results in simulation and in-vitro, ex-vivo, in-vivo acquisitions. Furthermore, we adapt REC in such way that the frequency dependent tissue attenuation effect is compensated for. This improvement is validated in simulation and phantom experiments. We also adapt REC to the nonlinear propagation of ultrasound waves, by proposing a pulse inversion technique that uses REC to provide a better image resolution and contrast to noise ratio. Then, we demonstrate the generality of the REC method by applying it to different acquisition schemes such as diverging wave compounding and Multi Line Transmit (MLT). We also show that the image quality can be increased more by taking into account the spatial impulse response of the ultrasound probe when REC and MLT are combined. The last contribution of this thesis consists on combining orthogonal binary codes with REC pre-enhanced chirps in order to boost further the eSNR provided by REC while keeping its good performance in axial resolution. The method is applied to diverging wave compounding. Pairs of diverging waves are transmitted/received/reconstructed simultaneously thanks to the orthogonality property of the Golay codes. The results show that the proposed method is able to obtain a better image quality than conventional pulse imaging.
L'échographie est un outil de diagnostic largement utilisé grâce à des propriétés telles que l'acquisition et le traitement de données en temps réel, la facilité d'utilisation, le coût et la sécurité pour le patient et le praticien pendant l'examen. Cependant, comparée à d'autres méthodes d'imagerie telles que la tomographie à rayons X et l'imagerie par résonance magnétique, l'échographie présente l'inconvénient de fournir une qualité d'image relativement basse. Dans cette thèse, nous étudions une méthode capable d'augmenter la qualité d'image, permettant ainsi de meilleurs diagnostics échographiques. Afin d'augmenter le rapport signal / bruit des signaux reçus, nous proposons d'explorer les tissus grâce à des signaux modulés en fréquence (chirps). Pour pallier l'effet négatif de la bande passante limitée de la sonde, les signaux d'excitations sont, de plus, modulés en amplitude afin d'augmenter l'énergie du signal aux fréquences pour lesquelles la sonde est moins efficace. Pour compresser l'énergie des échos, nous utilisons des filtres de Wiener afin d'obtenir un bon compromis résolution spatiale / stabilité au bruit. Nous combinons cette méthode appelée REC (Resolution Enhancement Compression Technique) avec l’imagerie ultrarapide. Nous montrons des résultats simulés et expérimentaux (in-vitro, ex-vivo et in-vivo) prometteurs. De plus, la technique REC est optimisée afin de compenser l'effet d'atténuation tissulaire. Cette amélioration est validée expérimentalement sur des fantômes. REC est également adaptée à la propagation non linéaire des ondes ultrasonores, en proposant une technique d'inversion d'impulsions qui utilise REC pour fournir une meilleure résolution et un meilleur rapport contraste à bruit. Ensuite, nous appliquons REC à différents schémas d’acquisition tels que les ondes divergentes et la transmission multi-lignes (MLT). La qualité des images peut être davantage augmentée si la réponse impulsionnelle spatiale de la sonde tient compte de REC et MLT simultanément. Enfin, la dernière contribution de cette thèse consiste à combiner des codes binaires orthogonaux avec des chirps améliorés par REC afin de renforcer le eSNR fourni par REC tout en conservant ses performances en résolution axiale. Des paires d'ondes divergentes sont transmises, reçues et reconstruites simultanément grâce à la propriété d'orthogonalité des codes de Golay. Les résultats montrent que la méthode proposée permet d'obtenir une meilleure qualité d'image que l'imagerie conventionnelle par impulsions.
Les différentes techniques d'imagerie proposées sont évaluées en simulation avant d'être implémentées sur une plateforme de recherche (UlaOp research platform) pour validation des résultats.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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