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

Abstract

Current solid-state intravascular ultrasound (IVUS) devices use a one-dimensional (1-D) rectangular array wrapped around the cylindrical catheter. Beamforming in these devices is limited to synthetic phased array processing, and the image quality is degraded by low signal to noise ratio (SNR) and lack of focusing in elevation. We propose new solid-state reconfigurable cylindrical array configurations, based on non-uniform aperture sampling, enabling realization of low-cost integrated phased array beamformers based on the latest IC and transducer integration techniques. We employed non-uniform (Fresnel) aperture sampling with identical differential delays between adjacent elements to reduce dynamic beamformer complexity. For this purpose, the angles of the element boundaries and centers are determined by equalizing path difference of neighboring elements. For Side Looking-IVUS (SLIVUS), the image plane is scanned through stepping the active aperture, and the active array must be reformed in each step. Fresnel sampled ring array leads to a simplified phased array beamformer with N/2 identical differential delays. The same logic applies to a two-dimensional (2-D) array with NL×NE-elements over a cylindrical patch. We compared the proposed and existing array designs through numerical point spread function (PSF) simulations. The uniform and Fresnel sampled 1-D ring arrays perform similarly in terms of beam quality while the latter improves image SNR by a factor of √NL due to synthetic vs full phased array processing. The Fresnel sampled 2-D array performs dramatically better in elevation compared to 1-D ring array. The additional contribution of 2-D array on image quality is high SNR produced by phased array beamforming. The proposed Fresnel sampling of cylindrical aperture simplifies phased array beamformer by halving the required delay element count and transforms the complex 2-D beamformer into a separable beamformer that requires simple 1-D beamformers. The resulting 1-D and 2-D SLIVUS array configurations could be realizable using monolithic integration of the analog beamformers with transducer arrays.

Günümüzde kullanılan damar içi ultrasonik kateterler, statik kateterler, silindirik bir boyutlu (1-D) dizi yapıları kullanmaktadırlar. Bu yapılarda, derinlik yönünde dizi uzantısı olmadığından bu yönde demetleme yapılamaması ve yerleştirilen yüksek yoğunluklu dizi için gerekli kanal sayısı en temel problemlerdir. Artan kanal sayısı yapay dizi tekniğini kullanmayı zorunlu kılar ki bu teknik SNR değerini yükseltmektedir. Önerilen değişken boyutlu örneklenmiş (Fresnel örneklenmiş) statik dizi yapıları demetleme devrelerini basitleştirerek hem kateter üzerine iki boyutlu dizi yapıları yerleştirmeyi mümkün kılar hem de azalan kanal sayısı ile evreli dizi kullanılabilir. Fresnel örnekleme tekniği komşu elemanlara uygulanacak gecikme farklarının birbirinin aynısı olmasını sağlamalıdır ki bu gereken demetleme devresinin büyüklüğünü dramatik olarak düşürmektedir. B-scan görüntüsü elde etmek için silindirik dizi üzerinde bir alt-dizi seçilir ve lateral yönde kaydırılır. Her kaydırma adımında alt-dizi yeniden oluşturulmaktadır ve N/2 adet kanal kullanarak demetleme yapmaktadır. Aynı prensibi ikinci boyuta da uygularsak, kaydırılan 2- boyutlu (2-D) alt dizi NL/2×NE/2 kanal kullanacak ve ayrıca eksenel simetri sayesinde her eleman ile ilgili iki boyuta ait gecikmeler birbirinden ayrılabilecektir. Bahsedilen yöntemle elde edilen dizi yapıları, mevcut yapılar ile demetleme devreleri kompleksliği ve görüntü kaliteleri açısından numerik PSF benzetimleri kullanılarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar Fresnel örneklenmiş dönüştürücüler ile tekdüze örneklenmiş dönüştürücülerin benzer sonuç verdiğini göstermiştir. Farklı olarak Fresnel örneklenmiş yapılar SNR seviyesini yükseltmektedir. Derinlik yönündeki dizi bu yöndeki çözünürlüğü ciddi bir biçimde iyileştirmiştir. Fresnel örnekleme bir yöndeki gecikme elemanı sayısını yarıya indirerek evreli demetleme elektroniğini basitleştirir, ayrıca 2-D dizide her eleman için her iki boyuttaki gecikme miktarının ayrıştırılabilir hale gelmesi 2-D demetleme devresinin basit 1-D demetleme devrelerinin birleşimi ile yapılabilmesini sağlar.