Solid-state arrays and beamformers for side-looking intravascular ultrasonic imaging

Abstract

Günümüzde kullanılan damar içi ultrasonik kateterler, statik kateterler, silindirik birboyutlu (1-D) dizi yapıları kullanmaktadırlar. Bu yapılarda, derinlik yönünde diziuzantısı olmadığından bu yönde demetleme yapılamaması ve yerleştirilen yüksekyoğunluklu dizi için gerekli kanal sayısı en temel problemlerdir. Artan kanal sayısıyapay dizi tekniğini kullanmayı zorunlu kılar ki bu teknik SNR değeriniyükseltmektedir. Önerilen değişken boyutlu örneklenmiş (Fresnel örneklenmiş) statikdizi yapıları demetleme devrelerini basitleştirerek hem kateter üzerine iki boyutludizi yapıları yerleştirmeyi mümkün kılar hem de azalan kanal sayısı ile evreli dizikullanılabilir. Fresnel örnekleme tekniği komşu elemanlara uygulanacak gecikmefarklarının birbirinin aynısı olmasını sağlamalıdır ki bu gereken demetlemedevresinin büyüklüğünü dramatik olarak düşürmektedir. B-scan görüntüsü eldeetmek için silindirik dizi üzerinde bir alt-dizi seçilir ve lateral yönde kaydırılır. Herkaydırma adımında alt-dizi yeniden oluşturulmaktadır ve N/2 adet kanal kullanarakdemetleme yapmaktadır. Aynı prensibi ikinci boyuta da uygularsak, kaydırılan 2-boyutlu (2-D) alt dizi NL/2×NE/2 kanal kullanacak ve ayrıca eksenel simetrisayesinde her eleman ile ilgili iki boyuta ait gecikmeler birbirinden ayrılabilecektir.Bahsedilen yöntemle elde edilen dizi yapıları, mevcut yapılar ile demetleme devrelerikompleksliği ve görüntü kaliteleri açısından numerik PSF benzetimleri kullanılarakkarşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar Fresnel örneklenmiş dönüştürücüler iletekdüze örneklenmiş dönüştürücülerin benzer sonuç verdiğini göstermiştir. Farklıolarak Fresnel örneklenmiş yapılar SNR seviyesini yükseltmektedir. Derinlikyönündeki dizi bu yöndeki çözünürlüğü ciddi bir biçimde iyileştirmiştir. Fresnelörnekleme bir yöndeki gecikme elemanı sayısını yarıya indirerek evreli demetlemeelektroniğini basitleştirir, ayrıca 2-D dizide her eleman için her iki boyuttaki gecikmemiktarının ayrıştırılabilir hale gelmesi 2-D demetleme devresinin basit 1-Ddemetleme devrelerinin birleşimi ile yapılabilmesini sağlar.

Current solid-state intravascular ultrasound (IVUS) devices use a one-dimensional(1-D) rectangular array wrapped around the cylindrical catheter. Beamforming inthese devices is limited to synthetic phased array processing, and the image quality isdegraded by low signal to noise ratio (SNR) and lack of focusing in elevation. Wepropose new solid-state reconfigurable cylindrical array configurations, based onnon-uniform aperture sampling, enabling realization of low-cost integrated phasedarray beamformers based on the latest IC and transducer integration techniques. Weemployed non-uniform (Fresnel) aperture sampling with identical differential delaysbetween adjacent elements to reduce dynamic beamformer complexity. For thispurpose, the angles of the element boundaries and centers are determined byequalizing path difference of neighboring elements. For Side Looking-IVUS (SLIVUS),the image plane is scanned through stepping the active aperture, and theactive array must be reformed in each step. Fresnel sampled ring array leads to asimplified phased array beamformer with N/2 identical differential delays. The samelogic applies to a two-dimensional (2-D) array with NL×NE-elements over acylindrical patch. We compared the proposed and existing array designs throughnumerical point spread function (PSF) simulations. The uniform and Fresnel sampled1-D ring arrays perform similarly in terms of beam quality while the latter improvesimage SNR by a factor of ?NL due to synthetic vs full phased array processing. TheFresnel sampled 2-D array performs dramatically better in elevation compared to 1-Dring array. The additional contribution of 2-D array on image quality is high SNRproduced by phased array beamforming. The proposed Fresnel sampling ofcylindrical aperture simplifies phased array beamformer by halving the requireddelay element count and transforms the complex 2-D beamformer into a separablebeamformer that requires simple 1-D beamformers. The resulting 1-D and 2-D SLIVUSarray configurations could be realizable using monolithic integration of theanalog beamformers with transducer arrays.