Ultrasound simulations using computed tomography images as priors

Abstract

Medikal ultrason sistemleri dünyada en yaygın kullanılan sistemlerden biridir. Zararsız olmasının yanında, düşük maliyetli ve portatif olması, ultrasonun diğer sistemlere göre daha yaygın olarak kullanılmasını sağlamaktadır. Bu kadar yaygın kullanılması, daha fazla ultrason teknisyenlerinin eğitimini gerektirmektedir ki bu eğitim de en az bir hasta (gönüllü), bir uzman ve epey süre istemektedir. İşte burada devreye ultrason simulatörleri girmektedir. Gerçek zamanlı, bu denli simulasyonlara ihtiyaçtan dolayı bu alanda bir çok çalışma yapılmıştır. Genel olarak, ya önceden kaydedilmiş ultrason görüntüleri aradeğerlendirilmektedir, ya da bilgisayarlı tomografi, manyetik rezonans görüntüleme imgeleri üzerinden ultrason görüntüleri üretilmektedir. İlk kategorideki simulatörlerin dezavantajı farklı prob pozisiyonlarında simulasyonun doğru çalışamaması iken, ikinci kategorideki simulatörler, fiziksel mekanizmaları tam olarak çözmediği için gerçeklikten yoksundur. Bu tezde, bilgisayarlı tomografi imgelerine dayalı, gerçek zamanlı çalışan, ışın bazlı ultrason simulatörü sunulacaktır. Bu çalışmadaki yenilikler, her bir prob elemanından bir ışın yerine çoklu ışın göndermek ve biri bilgisayarlı tomografi imgelerinin yerel entropisine dayalı; diğeri aynı vücut bölgesinin bilgisayarlı tomografi ve ultrason imge ikililerini kullanan bir makine öğrenim algoritmasına dayalı benek gürültüsü (speckle noise) modelleridir.

Medical ultrasound system is one of the most ubiquitous imaging modalities in the world. In addition to the noninvasive nature of it, being low-cost and portable compared to other modalities makes it wide-spread in hospitals. Such common usage of the system needs more ultrasound technicians, or sonographers, and consequently training of new ones which requires at least a patient and an expert and almost a year to be a sonographer at last. In this phase, ultrasound simulators act a key role which reduces the need of human and cost factor significantly. The need for such real-time simulators has caused various works suggested in this area. They basically either interpolates pre-recorded ultrasound images (interpolative methods) or generates ultrasound images using other modalities i.e, computed tomography, magnetic resonance imaging (generative methods). The drawbacks of these methods respectively are incapability of simulating with various probe positions (view-dependent) and lacking realism due to not solving the wave physics exactly. In this thesis, a real-time ray-based generative ultrasound simulator using the computed tomography images will be presented. The novalties in this work are emanating multi-rays from each transducer element instead of single ray transmission by each of the element and two speckle models based on a local entropy map of computer tomography images and a machine learning algorithm in which some pairs of computer tomography images and ultrasound images of the same body slice are used.