Imaging diagnostico ad ultrasuoni ad alto frame-rate: tecniche e applicazioni

Svantaggi della tecnica di trasmissione multipla

Un altro svantaggio, che in passato ha portato a considerare con scarsa attenzione questa tecnica [3], è rappresentato dalla generazione dei cosiddetti artefatti di cross-talk: trasmettendo fasci multipli infatti si crea un'interferenza tra di essi, e un maggior numero di fasci trasmessi in parallelo si traduce in una maggiore interferenza. Tale interferenza si traduce nella comparsa di artefatti nell'immagine finale. Per limitare questo problema, in letteratura sono state proposte diverse soluzioni. Una di queste consiste nell'applicare una serie di pesi ai segnali trasmessi e ricevuti da ogni elemento nell'apertura attiva utilizzando come funzione di apodizzazione per esempio una finestra di Tukey [5]. Un'altra tecnica che può essere utilizzata per diminuire il fenomeno del crosstalk è quella dell'Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) la quale consiste nel dividere la larghezza di banda del trasduttore in tante bande.

più piccole ortogonali, ognuna delle quali viene assegnataTecniche per aumentare il frame-rate 11ad uno dei fasci che devono essere trasmessi in parallelo [4][11]. Tuttavia, una bandadi frequenza molto ristretta, prossima alla frequenza centrale, implica l’avere unimpulso di lunga durata il quale, a sua volta, condiziona fortemente la risoluzioneassiale del fascio ultrasonoro. Infatti, se il lasso temporale tra due segnali eco cheoriginano da due diversi target riflettenti lungo l’asse del fascio è più grande delladurata dell’impulso, i due bersagli vengono chiaramente distinti. Se invece i bersaglisono più vicini fra loro, i due segnali, in base alla lunghezza dell’impulso, possonoparzialmente sovrapporsi o essere separati e distinti.

La Figura 3.5 mostra gli effetti degli artefatti di cross-talk che si possono averesull’immagine finale. Nel caso specifico, si tratta di un’immagine ad ultrasuoni diquattro target

puntiformi riflettenti generata in simulazione utilizzando il metodoconvenzionale (single-line transmission, SLT) e la tecnica MLT (4MLT). In quest’ultimocaso, possiamo vedere che campaiono gli artefatti prima e dopo ogni bersaglio.

Figura 3.5: nel pannello di sinistra è rappresentata un’immagine ad ultrasuoni generata utilizzando ilmetodo convenzionale; in quello di destra è possibile osservare gli effetti dell’interferenza tra i fascimultipli quando viene utilizzata la tecnica MLT. Tratto da [5].

In generale, adottando opportune strategie o tecniche di beamforming inricezione per diminuire la presenza del crosstalk, la qualità dell’immagine di unsistema MLT può essere molto competitiva rispetto a quella di un sistema diacquisizione convenzionale. Inoltre, le tecniche MLT e MLA possono esserecombinate per ottenere un effetto moltiplicativo in termini di guadagno in frame-rate.

Tecniche per aumentare il frame-rate 12senza comunque avere

Perdite significative nella qualità dell'immagine, come mostrato in Figura 3.6.

Tratto da [3].

3.3 Plane e diverging wave imaging

I sistemi di imaging "ultrafast" permettono di evitare i problemi legati ai lunghi tempi di acquisizione di un'immagine riuscendo a generare un'immagine in tempo reale attraverso una sola trasmissione. Questo è possibile insonificando l'intera regione di interesse mediante un fascio ampio ed omogeneo, cioè sfruttando la trasmissione di onde piane o divergenti. Le onde divergenti hanno caratteristiche del tutto simili alle onde piane ad eccezione del fascio maggiormente defocalizzato che permette di insonificare un'area più vasta. Affinché onde di questo tipo possano essere trasmesse vengono solitamente utilizzati tutti gli elementi del trasduttore (Figura 3.7).

Tecniche per...

aumentare il frame-rate

Un fronte d'onda piano è generato dalla sovrapposizione dei fronti d'onda sferici, in fase tra loro, originati dall'attivazione contemporanea di tutti gli elementi del trasduttore. Invece, per generare un'onda divergente, si può considerare una sorgente ultrasonora virtuale O dietro gli elementi del trasduttore . In particolare, bisogna eccitare i diversi elementi in momenti differenti applicando a ciascuno di essi il giusto ritardo, considerando il punto O per il calcolo. Ad esempio, se consideriamo come elemento di riferimento quello centrale, viene applicato un ritardo maggiore agli elementi più esterni per poi descrescere andando verso il centro. Allo stesso modo, ritardando opportunamente i segnali inviati agli elementi del trasduttore, è possibile effettuare lo steering del fascio, cioè

generare dei frontid’onda inclinati sia nel caso di onde piane che divergenti.

Tecniche per aumentare il frame-rate 14O v

In entrambi i casi, a causa dell’utilizzo di un fascio non focalizzato, la pressione che viene generata nel mezzo è minore rispetto a quella che si ha nel caso della trasmissione di un fascio focalizzato. Inoltre si ha una perdita significativa in termini di risoluzione spaziale e contrasto, portando quindi ad una minore qualità dell’immagine. Per limitare questa perdita è stata quindi proposta la tecnica detta “coherent compounding”, che permette di ripristinare la qualità

dell'immagine sommando più immagini acquisite da angolazioni differenti effettuando la trasmissione di una serie di onde piane/divergenti. In questa tecnica viene applicato la deflessione dell'onda utilizzando diversi angoli di steering; infatti, l'onda piana/divergente non viene fatta propagare solamente in linea retta davanti al trasduttore e la stessa area viene insonificata da diverse direzioni (Figura 3.9). L'immagine finale corrisponde alla media delle immagini a bassa qualità acquisite dai differenti angoli e ciò permette di effettuare a posteriori una focalizzazione "sintetica", migliorando la qualità dell'immagine finale.

Figura 3.9: in questo esempio per ogni onda piana trasmessa vengono ricostruite 4 linee in parallelo: (A) senza compounding (non sono presenti sovrapposizioni tra regioni insonificate attraverso le due trasmissioni successive); (B) con compounding (una regione