Ring array processing for forward-looking intravascular and intracardiac ultrasonic imaging

Abstract

Forward-looking (FL) catheter-based imaging systems are highly desirable for guiding interventions in IVUS and ICE applications. One of the main challenges in the array based FLIVUS systems is the large channel count which results in increased system complexity. Synthetic phased array processing with reduced firing count simplifies the front-end and hence can enable 3-D real-time imaging. Recently, we have investigated dual-ring arrays suitable for IVUS and ICE imaging. In this dissertation, we present and explored two different optimized array designs based on dual circular and hexagonal rings that are suitable for synthetic phased array processing with reduced number of firings. We used simulated annealing to optimize the wideband PSF of the array system. The optimal firing set from different Tx-Rx elements eliminates most of the redundant spatial frequencies in the coarray and produces low side lobes and number of firings. The optimization procedure starts with the calculated wideband PSF of the full set coarray including all Tx-Rx firing combinations. In every iteration step, a predefined coarray with only one element change is compared with the previous set in terms of cost function. For the two designs, we obtained optimal reduced set by minimizing both the peak side lobe level and the integrated side lobe energy. For two test cases, we obtained reduced sets of 512 and 256 coarray elements, and constructed 2-D PSFs. The simulation results show that the optimized dual circular and hexagonal ring arrays provide up to 10-dB and 5-dB improvements, respectively, in peak near side lobe level with no widening in main lobe width. Our test results show that the side lobe levels of the dual circular and hexagonal arrays can be remarkably and controllably reduced by using simulated annealing optimization, and the resulting optimal array designs can meet the resolution and speed requirements of 3-D real time IVUS and ICE imaging.

Kanal içi ve kalp içi ultrason uygulamalarında öne bakan kateter tabanlı görüntüleme sistemleri kılavuzlu müdahale için sıklıkla istenmektedir. Öne bakan kalp içi ultrason sistemlerinin en temel zaaflarından biri sistem karmaşıklığını arttıran fazla sayıda kanal içermesidir. Yapay evreli dizi işleme tekniği kanal sayısını azaltarak ön-elektroniği basitleştirir ve böylece üç boyutlu gerçek zamanlı görüntülemeye imkan sağlar. Yakın zamanda incelediğimiz ikili halka dizi mimarisi kanal ve kalp içi görüntüleme için uygun bir yapıdır. Bu tezde, yapay evreli dizi işlemeye uygun ikili dairesel ve altıgen şeklinde iki farklı eniyilenmiş dizi yapısı keşfedilmiş ve sunulmuştur. Dizi yapısı geniş bant noktasal dağılım işlevi (NDİ) benzetilmiş tavlama yöntemiyle eniyilenmiştir. En uygun gönderme-alma (ateşleme) kümesi gereksiz mekansal frekansların büyük kısmını ortadan kaldırır ve az sayıda ateşleme ile alçak yan lob seviyesi üretir. Eniyileme yordamı tüm alıcı-verici ateşleme katışımlarının oluşturduğu tüm kümeye ait geniş bantlı NDİ oluşturularak başlar. Başlangıçta tanımlanmış eşdizi her yineleme adımında sadece bir eleman değiştirilerek bir önceki küme ile amaç maliyet (enerji) fonksiyonu cinsinden karşılaştırılır. Her iki yapı için de, hem yan lob tepe seviyesinin hem de toplam yan lob enerji seviyesinin en aza indirilmesi yöntemleriyle en uygun azaltılmış küme elde edilmiştir. Benzetimi yapılan ikili dairesel ve altıgen dizi yapıları tüm eleman kümesi olarak sırasıyla 3712 ve 1176 eleman içermektedir. Bu sayılar iki sınama durumu için 512 ve 256 elemana indirilmiş ve iki boyutlu NDİ'leri oluşturulmuştur. Benzetim sonuçları, yakın yan lob seviyesi bakımından sırasıyla 10 dB ve 5 dB iyileştirmesine rağmen ana lob eninde bir genişlemeye neden olmamıştır. Sınama sonuçlarımız ikili dairesel ve altıgen halka dizilerinde benzetilmiş tavlama eniyilenmesi kullanılmasıyla yan lob seviyesinin dikkat çekici ve kontrol edilebilir şekilde düştüğünü göstermiştir. Ve bu elde edilen en uygun dizi yapıları üç boyutlu gerçek zamanlı damar ve kalp içi görüntüleme çözünürlük ve hız gereksinimlerini karşılamaktadır.