Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제20권3호
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pp.175-202
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2016
Ultrasound imaging is a widely used tool for visualizing human body's internal organs and quantifying clinical parameters. Due to its advantages such as safety, non-invasiveness, portability, low cost and real-time 2D/3D imaging, diagnostic ultrasound industry has steadily grown. Since the technology advancements such as digital beam-forming, Doppler ultrasound, real-time 3D imaging and automated diagnosis techniques, there are still a lot of demands for image quality improvement, faster and accurate imaging, 3D color Doppler imaging and advanced functional imaging modes. In order to satisfy those demands, mathematics should be used properly and effectively in ultrasound imaging. Mathematics has been used commonly as mathematical modelling, numerical solutions and visualization, combined with science and engineering. In this article, we describe a brief history of ultrasound imaging, its basic principle, its applications in obstetrics/gynecology, cardiology and radiology, domestic-industrial products, contributions of mathematics and challenging issues in ultrasound imaging.
Three-dimensional ultrasound imaging is a new, exciting technology that allows physicians to use ultrasound to view pathology as a volume, thereby enhancing comprehension of patient anatomy. In this paper, a brief history of the 3-D ultrasound imaging is described in accordance with the development of transducer technology. Then, two representative types of 3-D imaging transducers are reviewed with description of the concept and operation principle of each type: mechanical transducer and matrix array transducer. The mechanical transducer is detailed into free-hand scanning and sequential scanning types. Advantages of each transducer over the other and the technical issues for further performance enhancement are also presented.
고주파수, 고해상도 초음파 영상을 획득하기 위해서는 고주파수 초음파 변환기가 가지는 작은 구경에 따른 낮은 민감도와 침투 깊이에 따른 높은 감쇠량을 극복하여야 한다. 이는 고주파수 초음파 변환기의 본질적인 한계점이므로 수신 시스템을 통하여 그 한계점을 극복하여야 한다. 본 논문은 고주파수, 고해상도 초음파 영상을 위하여 고주파수 초음파 변환기의 본질적인 한계인 낮은 민감도와 높은 감쇠량을 극복할 수 있는 저잡음 광대역 수신 시스템 개발과 특성 평가 결과에 관한 것이다. 개발한 저잡음 광대역 수신 시스템은 80 MHz 이상의 동작 주파수 대역에서 최대 73 dB의 증폭 이득과 48 dB의 가변 이득 범위를 만족하며 ${\pm}1dB$의 증폭 이득 평탄도 성능을 가진다. 또한 개발한 수신 시스템은 상용 리시버에 비하여 8.4 dB 이상의 신호대잡음비 성능과 3.7 dB 이상의 대조도 성능이 우수함을 확인하였다.
The ability to see the internal organs of the human body in a noninvasive way is a powerful diagnostic tool of modern medicine. Among these imaging modalities such as X-ray, MRI, and ultrasound. MRI and ultrasound are presenting much less risk of undesirable damage of both patient and examiner. In fact, no deleterious effects have been reported as a result of clinical examination by using MRI and ultrasound diagnostic equipment. As a result. their market volume has been rapidly increased. MRI has a good resolution. but there are a few disadvantages such as high price. non-real-time imaging capability. and expensive diagnostic cost. On the other hand, the ultrasound imaging system has inherently poor resolution as compared with X-ray and MRI. In spite of its poor resolution, the ultrasound diagnostic equipment is lower in price and has an ability of real-time imaging as compared with the others. As a result. the ultrasound imaging system has become general and essential modality for imaging the internal organs of human body. In this review various researches and developments to enhance the resolution of the ultrasound images are explained and future trends of the ultrasound imaging technology are described.
A 3D ultrasound image is desired in many medical examinations. However, the implementation of a 2D array, which is needed for a 3D image, is challenging with respect to fabrication, interconnection and cabling. A 2D sparse array, which needs fewer elements than a dense array, is a realistic way to achieve 3D images. Because the number of ways the elements can be placed in an array is extremely large, a method for optimizing the array configuration is needed. Previous research placed the target point far from the transducer array, making it impossible to optimize the array in the operating range. In our study, we focused on optimizing a 2D sparse array transducer for 3D imaging by using a simulated annealing method. We compared the far-field optimization method with the near-field optimization method by analyzing a point-spread function (PSF). The resolution of the optimized sparse array is comparable to that of the dense array.
초음파 영상 진단 장치에서 획득한 데이터로부터 진단 객체를 추출하기 위한 영상 분할은 질병의 효과적인 진단을 위하여 필수적인 전처리 과정으로 인식되고 있으며, 지금까지 많은 분할 기법들이 연구되고 있다. 본 연구에서는 혈관 초음파 영상의 다양한 응용 및 진단법 개발을 위하여 기초 전처리과정으로서 graph cut 알고리즘에 의한 상호적인 영상분할법을 제시한다. 일반영상 및 혈관 초음파 영상에 대하여 전경(foreground)과 배경(background)의 제약조건을 주고 영상분할 처리하여, 원하는 object에 대한 분할 결과를 얻었다. 향후, 이러한 일련의 처리 과정이 실시간으로 처리되면 새로운 초음파 진단법으로 발전시켜 나갈 수 있을 것으로 사료된다.
In 3D ultrasound color Doppler imaging (CDI), 8-16 pulse transmissions (ensembles) per each scanline are used for effective clutter rejection and flow estimation, but it yields a low volume acquisition rate. In this paper, we have evaluated three flow estimation methods: autoregression (AR), eigendecomposition (ED), and autocorrelation combined with adaptive clutter rejection (AC-ACR) for a small ensemble size (E=4). The performance of AR, ED and AC-ACR methods was compared using 2D and 3D in vivo data acquired under different clutter conditions (common carotid artery, kidney and liver). To evaluate the effectiveness of three methods, receiver operating characteristic (ROC) curves were generated. For 2D kidney in vivo data, the AC-ACR method outperforms the AR and ED methods in terms of the area under the ROC curve (AUC) (0.852 vs. 0.793 and 0.813, respectively). Similarly, the AC-ACR method shows higher AUC values for 2D liver in vivo data compared to the AR and ED methods (0.855 vs. 0.807 and 0.823, respectively). For the common carotid artery data, the AR provides higher AUC values, but it suffers from biased estimates. For 3D in vivo data acquired from a kidney transplant patient, the AC-ACR with E=4 provides an AUC value of 0.799. These in vivo experiment results indicate that the AC-ACR method can provide more robust flow estimates compared to the AR and ED methods with a small ensemble size.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제14권5호
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pp.579-587
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2014
This paper presents a variable gain amplifier (VGA) for an analog front-end (AFE) of ultrasound medical imaging. This VGA has a closed-loop topology and shows a 37-dB-linear characteristic with a single-stage amplifier. It consists of an op-amp, a non-binary-weighted capacitor array, and a gain-control block. This non-binary-weighted capacitor array reduces the required number of capacitors and the complexity of the gain-control block. The VGA has been fabricated in a 0.35-mm CMOS process. This work gives the largest gain range of 37 dB per stage, the largest P1 dB of 9.5 dBm at the 3.3-V among the recent VGA circuits available in the literature. The voltage gain is controlled in the range of [-10, 27] dB in a linear-in-dB scale with 16 steps by a 4-bit digital code. The VGA has a bandpass characteristic with a passband of [20 kHz, 8 MHz].
Three-dimensional ultrasonic probes being applied to the medical imaging can be grouped into three depending on the scanning methods, which are a mechanical type system, a free-hand system, and 2D phased arrays system. A mechanical type scanner uses a mechanically driven transducer to acquire series of 2D plane images. By integrating these images, a 3-D medical image can be constructed. A motor driving mechanism is a conventional choice for mechanically driving a transducer assembly which picks the raw ultrasonic images up. In this paper we attempt to design a 3D ultrasonic probe which has a operating mechanism of s tilting 3-D scanning. The motion of a transducer assembly of the ultrasonic probe is analytically modelled. We propose a selection procedure for the diameter of a wire rope driving the transducer assembly and the size of torsional spring which gives an initial tension to wire ropes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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