Katı, sıvı ve doku ortamlarında darbe-eko kestirimi ile ultrasonik hedef belirleme

Abstract

Ultrasonik transdüktör dizileri, tıbbi görüntüleme uygulamalarında ve endüstrinin birçok alanında sıklıkla kullanılmaktadır. Dizilerin kullanımı, ses hüzmesine alıcı ya da verici modunda odaklanmayı sağlar ancak donanım maliyetini arttırır. Bu nedenle, donanım maliyetinin yüksek olduğu teknikler yerine düşük maliyetli tekniklerin geliştirilebilmesi önemli bir araştırma konusudur. Bu doktora tez çalışmasında, transdüktör dizisi yerine tek transdüktör kullanılarak katı, sıvı ve doku ortamlarında ultrasonik dalga yayılımı incelenmektedir. Katı ortam olarak ele alınan ince düzlemde dalga yayılım ortamında oluşan eko yok edilerek, ultrasonik dalga yayılımının modellenmesi için türetilen elastik dalga modeli ile uyartım noktası kestirilmektedir. Modellenen dalga yayılımında ultrasonik dalganın hızı ile birlikte zaman gecikmesi uyartım noktasının hedefe olan uzaklığı ile ilintili olduğu için, uyarlamalı algoritma ile darbe cevabı başlangıç noktası belirlenerek hedef konumunun tespit edilebildiği görülmektedir. Sıvı ortamlarda, türetilen elastik dalga modeli ile ultrasonun sıvı içinde yayılması modellenerek darbe cevabı kestirilmektedir. Ayrıca, türetilen teorik model ile ultrasonun homojen olmayan ortamlar olan doku içinde yayılması modellenerek dokudaki farklılıkların ortaya çıkarılması için ultrason zayıflaması incelenmektedir. Klasik spektral kayma ve spektral fark yöntemlerinin sınırlamalarını azaltan yeni bir zayıflama kestirim yöntemi sunulmuştur. Ultrason zayıflamasının kestirilmesi için frekans bölgesi yöntemler incelenerek canlı içinden alınan böbrek dokusu verisi için iki boyutlu görüntüleme çalışmaları yapılmaktadır. Bu tez çalışmasında sunulan spektral fark-kayma hibrid yönteminin hem düzgün zayıflamanın hem de geri saçılmada değişikliğin olduğu bölgelerde zayıflama katsayısını klasik spektral yaklaşımlara göre daha iyi performansla kestirebildiği gözlemlenmektedir. Farklı hastalardan alınan biyopsi sonucundan elde edilen doku verileri ile deneysel çalışmalar yapılmıştır ve dokularda oluşan farklı yapıların belirlenmesi için ultrason dalgasının yayılması ve yansıması incelenerek elde edilen sonuçlar karşılaştırılmaktadır. Ayrıca, elde edilen sonuçlardan, dokudaki farklı yapılar ve kitle yerleşimleri hakkında bilgi sahibi olunacağı görülmektedir.

Ultrasonic transducer arrays are used commonly in medical imaging applications and many fields of industry. Using arrays provides focusing to beam as a receiver or transmitter mode. However, it increases hardware cost. Therefore, it is an important research area to be able to improve low cost techniques instead of high cost ones. In this thesis study, ultrasonic wave propagation in solid, liquid and tissue mediums is investigated by using a single transducer instead of transducer array. Echo formed in the wave propagation medium of thin plate which is considered as solid medium is cancelled and excitation point is estimated by means of elastic wave model developed to model the ultrasonic wave propagation. Since ultrasound wave speed with time delay in the modelled wave propagation is related to the distance between excitation point and target, it has been seen that target location has been detected by determining the starting point of impulse response. In liquid mediums, the propagation of ultrasound in liquid is modelled by means of developed elastic wave model and impulse response is estimated. Also, by using developed theoretical model, the propagation of ultrasound in tissue mediums which are inhomogeneous is modelled and attenuation in tissue is investigated in order to detect the variances in the tissue. A new attenuation estimation method has been proposed which decreases the limitations of classical spectral downshift and difference methods. Examining frequency domain methods for estimating the attenuation of ultrasound 2D imaging study is performed for in vivo kidney data. It has been seen that spectral difference-downshift hybrid method proposed in this thesis study can estimate the attenuation coefficient with better performance than classical spectral approaches for both regions which have uniform attenuation and variations in backscattering. Experimental studies with tissue data obtained from biopsy results of different patients are carried out by using derived theoretical model and obtained results are compared by investigating the reflection and propagation of ultrasound wave in order to determine the different structures formed in tissues. Also, it has been seen that results give info about different structures and localizations of bulks in the tissue.