25805

افزايش نرخ فريم و شكل‌دهي پرتو سريع در تصويربرداري دو و سه بعدي اولتراسوند با بكارگيري تكميل ماتريسي

دكتراي تخصصي

مهندسي برق الكترونيك

96

1400/09/27

دكتر حميد بهنام

مهندسي برق

اولتراسوند يك روش تصويربرداري غيرتهاجمي و با هزينه‌ي كم را فراهم مي¬آورد. در اين روش تصويربرداري، شكل¬دهي پرتو نقشي كليدي در تشكيل تصوير دارد كه بر روي وضوح و كنتراست تصوير نهايي تأثير مي¬گذارد. يكي از بحث¬هاي مهم در تصويربرداري اولتراسوند، محدوديت نرخ فريم است. براي نمايش حركات سريع قلب مانند حركت دريچه¬هاي قلبي نياز به نرخ فريم بالايي مي¬باشد، ولي براي داشتن نرخ فريم بالا محدوديت¬هايي وجود دارد. در اين پروژه هدف اين است كه با ارائه‌ي يك روش جديد، نرخ فريم افزايش يابد. يكي از الگوريتم¬هاي بسيار مهم در تحليل داده بحث تكميل داده است. گاهي اوقات به هر دليلي بخشي از داده حذف شده و داده حاصله يك داده ناقص است. لذا از روش¬هاي بازسازي و تكميل داده براي كامل كردن آن استفاده مي¬شود. يكي از الگوريتم¬هاي بسيار مهم در حوزه¬ي تكميل ماتريسي، تكنيك حسگري فشرده است. روش حسگري فشرده داراي پيچيدگي محاسباتي بسيار زيادي است و به همين دليل در اين پژوهش سعي كرديم الگوريتمي را استفاده كنيم كه در تركيب با شكل¬دهنده¬هاي پرتو، پيچيدگي را بالا نبرد و در مدت زمان كمي كارايي قابل قبولي داشته باشد. الگوريتم پيشنهادي در اين پروژه، به‌كارگيري روش‌هاي مبتني بر تكميل و تخمين ماتريسي است. در اين پژوهش روش پيشنهادي بر روي انواع مختلف تصويربرداري اولتراسوند از قبيل تصويربرداري خط به خط، تصويربرداري موج صفحه‌اي، و تصويربرداري روزنه مصنوعي اعمال شده است. يكي از پارامترهاي مؤثر در نرخ فريم در تصويربرداري، تعداد ارسال‌هايي است كه براي شكل¬دهي استفاده مي-كنيم. اگر تعداد اين ارسال‌ها به نحوي كاهش يابد (مثلاً نصف شود)، نرخ فريم نيز به همان نسبت (دو برابر) افزايش مي‌يابد. در اين پژوهش در ابتدا روش تكميل ماتريسي مبتني بر تبديل كسينوسي گسسته بيان شده است كه به‌واسطه‌ي آن مي‌توان نرخ فريم را تا سه برابر افزايش داد بدون اينكه كيفيت تصوير چندان آسيبي ببيند. درنهايت ما از روش بازسازي مبتني بر تكميل تنسوري براي بهبود نرخ فريم در تصويربرداري روزنه مصنوعي و موج صفحه‌اي اولتراسوند استفاده كرده‌ايم. نتايج نشان دادند كه با به‌كارگيري روش تكميل تنسوري مي‌توان تعداد ارسال‌ها در تصويربرداري موج صفحه‌اي و روزنه مصنوعي را به ترتيب به 20% و 33% كاهش داد بدون اينكه كيفيت تصوير دچار تغييرات قابل‌توجهي شود. اعمال تكميل تنسوري به لحاظ زماني نيز نزديك به بهينه است زيرا زمان اجراي قابل‌توجهي به سيستم اضافه نمي‌كند.

1400/10/10

Increasing frame rate and Fast Beamforming in 2D and 3D ultrasound imaging using matrix completion

12/18/2022 12:00:00 AM

Ultrasound provides a low-cost and non-invasive imaging technique. In ultrasound imaging, the beamformig plays a key role in image formation, which affects the resolution and contrast of the final image. One of the most important issues in ultrasound imaging is the limitation of the frame rate. High frame rates are required to display rapid heart movements, such as heart valve movements, but there are limitations to having high frame rates. In this project, the goal is to increase the frame rate by introducing a novel approach. One of the most important algorithms in data analysis is data completion. In some cases, for any reason, part of the data is missed and the resulting data is incomplete. Therefore, data reconstruction and completion methods are used to complete it. One of the most important algorithms in the field of matrix completion is the compressive sensing (CS) technique. The CS method has a very high computational complexity, and for this reason in this study we tried to use an algorithm that in combination with beamformers does not increase the complexity and has acceptable performance in a short time. The proposed algorithm in this project is the use of methods based on matrix completion and estimation. In this study, the proposed method has been applied to different types of ultrasound imaging such as linear imaging, plate wave imaging (PWI), and synthetic transmit aperture (STA) imaging. One of the most effective parameters in frame rate in imaging is the number of transmissions. If the number of these submissions decreases (for example, halves), the frame rate will increase by the same amount (double). In this research, at first, the method of matrix completion based on discrete cosine transform (DCT) is proposed, by which the frame rate can be increased up to three times without damaging the image quality. Finally, we use the tensor completion (TC) reconstruction method to improve the frame rate in ultrasound PWI and STA imaging. The results showed that by using the TC method, the number of transmissions in PWI and STA can be reduced to 20% and 33%, respectively, without significant degradations in image quality. TC is also near optimal in terms of time complexity because it does not add significant execution time to the system.

اولتراسوند , كمترين واريانس , تكميل تنسوري , نرخ فريم , شكل دهي پرتو

Ultrasound , minimum variance , tensor completion , frame rate , beamforming