Maximizing the signal-to-noise ratio of diverging ultrasonic waves in multiple scattering, attenuating, and diffracting media

Iraksayan dalga görüntüleme yöntemi odaklamanın kullanılmadığı bir görüntüleme yöntemidir. Bu yöntemde, ıraksayan bir hüzme tüm ilgili bölgeyi aydınlatmak için kullanılır. Iraksayan dalga, çevirici dizini elemanlarının her birine uygulanan zaman gecikmeleri ile oluşturulur. Bu yöntem yüksek veri toplama oranı ve dolayısıyla yüksek görüntü kare hızı olarak ölçülen yüksek bir zamansal çözünürlük sağlamaktadır. Bu sebeple, ıraksayan dalga görüntüleme yöntemi saniyede bin görüntü kare hızından daha fazla görüntü kare hızı gerektiren hızlı ultrason görüntüleme uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Iraksayan dalga görüntüleme yöntemi, görüntülenen alanı artırabilmek maksadıyla, genellikle daha küçük dizin açıklığına sahip faz dizinli çeviriciler ile kullanılmaktadır. Daha yüksek görüntü kare hızı oranları sağlamasına rağmen, ıraksayan dalga görüntüleme yöntemi geniş ve odaklanmamış hüzme iletiminden dolayı geleneksel odaklamanın yapıldığı görüntüleme tekniklerine göre daha düşük uzaysal çözünürlüğe ve kısıtlı işaret gürültü oranına (SNR) sahiptir. Geleneksel odaklamalı görüntüleme teknikleri, her bir görüntü hattı için odaklama bölgesinde yüksek SNR ve uzaysal çözünürlük sağlayan dar hüzme iletimini kullanmaktadır.Fakat bu yöntemde yaklaşık 30 resim kare hız oranı elde edilmektedir ve bu sebepten dolayı hızlı görüntüleme uygulamalarında kullanılmamaktadır. Iraksayan dalga görüntüleme yönteminde; görüntü kare hızı, görüntü kalitesi ve SNR arasında bir denge vardır. Bu nedenle, hızlı görüntüleme yöntemlerinde yüksek görüntü kare hız oranı korunurken yüksek SNR ve çözünürlüğün elde edilebilmesi medikal ultrason alanında çözüme kavuşturulması gereken bir problem olmaya devam etmektedir. Bu tezde; zayıf ve çoklu saçılımlı, soğurmalı ve kırınımlı ortamlarda, ıraksayan dalgaların SNR maksimizasyonuna odaklanılmaktadır. Bu tezde elde edilen asıl sonuç, ıraksayan dalgalar kullanıldığında, ortama gönderilen darbenin veya kodlanmış iletim durumunda çip sinyalinin süresi azaldığında, SNR'nin derin bölgelerde iyileşmesidir. Iraksayan dalga iletimi kullanıldığında, maksimum SNR, iletilen darbe veya çip sinyali çevirici dizininin izin verdiği kadar kısa süreli olduğunda elde edilir. Bu sonuç, daha fazla iletilen enerjinin daha yüksek SNR ile sonuçlanacağı beklentisiyle uyuşmamaktadır. Zayıf ve çoklu saçılımlı ortamlarda ıraksayan dalga yayılımının analitik temeli, analitik sonuçlar elde etmek için gereken düzeyde yeterli değildir. Bu sezgisel olmayan sonucu anlamak için ya sonlu eleman analizi (FEA) ya da yarı analitik simülasyon araçları kullanılabilir. FEA simülasyonları bu sezgisel olmayan sonucu tahmin edebilir, ancak FEA simülasyonlarında ortamın ayrıntılı modellemesi oldukça karmaşıktır ve çok uzun simülasyon süreleriyle sonuçlanır. Bu durum FEA simülasyonlarının kullanımını imkansız hale getirir. Diğer görüntüleme yöntemlerinden farklı olarak, medikal ultrason görüntülemede dalga boyu yüz mikrometre mertebesindedir; bu nedenle, makul bir doku hacminin simülasyonu imkansızdır. Doğrusal uzaysal dürtü yanıtına dayalı yarı-analitik simülasyon araçları ise hatalı sonuçlar üretir çünkü yarı-analitik simülasyonlarda saçıcılar tek kutuplu kaynaklar olarak modellenir ve çoklu saçılma modellenememektedir. Zayıf ve çoklu saçılımlı ortamlarda ıraksayan dalga yayılımı problemine yönelik analitik ve simülasyon tabanlı bir çözüm bulunmadığından, sonuçların deneysel olarak doğrulanması bu tezde sunulmaktadır. Ortama iletilen ultrason enerjisi, ıraksayan dalga görüntüleme yönteminde daha geniş bir bölgeye yayılır. Enerjinin yayılımı, kırınım ve çoklu saçılım nedeniyle daha da fazla olur ve bu da enerji kaybına neden olabilmektedir. Ortama iletilen enerjinin görüntüleme bölgesinde tutulması, ıraksayan dalga görüntüleme yönteminde söz konusu enerji kaybını önler. Bu nedenle, ortama iletilen ultrason enerjisini görüntüleme sektörü içerisinde tutabilmek için en uygun ıraksayan dalga profilini belirledik. Iraksayan dalga görüntüleme yönteminde en uygun profilin kullanılması SNR maksimizasyonuna katkıda bulunmaktadır. Ortama iletilen sinyali kodlamak için tümleyici Golay dizileri ve İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama modülasyonu kullanılmıştır. Ölçümlerde veri toplamak amacıyla, bir ultrason araştırma tarayıcısı, doku taklit eden bir fantom ve 7.5 MHz merkez frekansında %70 band genişliğine sahip 128 elemanlı faz dizinli çevirici kullandık. Benek ve pin hedeflerindeki SNR, çip sinyal uzunluğu ve kod uzunluğuna göre maksimize edilmiştir. Optimize edilmiş kodlanmış ıraksayan dalga ve geleneksel tek odaklı faz dizinli görüntülemenin SNR performansları, tek kare bazında karşılaştırılmıştır. Odaklamanın yapıldığı görüntüleme yönteminin odak bölgesi SNR karşılaştırmasında referans olarak kullanılmıştır. 90°'lik görüntüleme sektörü için, 8-çiplik kodlanmış sinyalin SNR'si, çip sinyalinin süresi merkez frekansta bir periyod olduğunda maksimum olmaktadır. Optimize edilen kodlanmış ıraksayan dalganın SNR'si bütün derinliklerde ve bölgelerde geleneksel tek odaklı faz dizinli görüntüleme tekniği ile elde edilen SNR'den daha yüksektir. Bu çalışmamızda, ıraksayan dalga yöntemi kullanılarak bir görüntü karesi oluşturabilmek için gerekli olan veri 200 mikrosaniyede elde edilmiştir. Söz konusu veri toplama hızı 5000 görüntü kare hızına eşdeğerdir. Buna karşılık, geleneksel tek odaklı faz dizinli görüntüleme tekniği için gerekli olan süre 181 kat daha fazladır.