Medical ultrasound imaging

Ultrasound is used extensively in the field of medical imaging. In this paper, the basic principles of ultrasound are explained using ‘everyday’ physics. Topics include the generation of ultrasound, basic interactions with material and the measurement of blood flow using the Doppler effect.

Three-dimensional ultrasound imaging.

This review is about the development of three-dimensional (3D) ultrasonic medical imaging, how it works, and where its future lies. It assumes knowledge of two-dimensional (2D) ultrasound, which is covered elsewhere in this issue. The three main ways in which 3D ultrasound may be acquired are described: the mechanically swept 3D probe, the 2D transducer array that can acquire intrinsically 3D data, and the freehand 3D ultrasound. This provides an appreciation of the constraints implicit in each of these approaches together with their strengths and weaknesses. Then some of the techniques that are used for processing the 3D data and the way this can lead to information of clinical value are discussed. A table is provided to show the range of clinical applications reported in the literature. Finally, the discussion relating to the technology and its clinical applications to explain why 3D ultrasound has been relatively slow to be adopted in routine clinics is drawn together and the issues that will govern its development in the future explored.

Multidirectional scattering models for 3-dimensional ultrasound imaging

An ultrasound image is created from backscattered echoes originating from both diffuse and directional scattering. It is potentially useful to separate these two components for the purpose of tissue characterization. This article presents several models for visualization of scattering fields on 3-dimensional (3D) ultrasound imaging. By scanning the same anatomy from multiple directions, we can observe the variation of specular intensity as a function of the viewing angle. This article considers two models for estimating the diffuse and specular components of the backscattered intensity: a modification of the well-known Phong reflection model and an existing exponential model. We examine 2-dimensional implementations and also propose novel 3D extensions of these models in which the probe is not constrained to rotate within a plane. Both simulation and experimental results show that improved performance can be achieved with 3D models. © 2013 by the American Institute of Ultrasound in Medicine.

Harmonic source wavefront aberration correction for ultrasound imaging.

A method is proposed which uses a lower-frequency transmit to create a known harmonic acoustical source in tissue suitable for wavefront correction without a priori assumptions of the target or requiring a transponder. The measurement and imaging steps of this method were implemented on the Duke phased array system with a two-dimensional (2-D) array. The method was tested with multiple electronic aberrators [0.39π to 1.16π radians root-mean-square (rms) at 4.17 MHz] and with a physical aberrator 0.17π radians rms at 4.17 MHz) in a variety of imaging situations. Corrections were quantified in terms of peak beam amplitude compared to the unaberrated case, with restoration between 0.6 and 36.6 dB of peak amplitude with a single correction. Standard phantom images before and after correction were obtained and showed both visible improvement and 14 dB contrast improvement after correction. This method, when combined with previous phase correction methods, may be an important step that leads to improved clinical images.

Vector flow mapping using plane wave ultrasound imaging

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée.

Quantitative ultrasound imaging during shear wave propagation for application related to breast cancer diagnosis

Dans le contexte de la caractérisation des tissus mammaires, on peut se demander ce que l’examen d’un attribut en échographie quantitative (« quantitative ultrasound » - QUS) d’un milieu diffusant (tel un tissu biologique mou) pendant la propagation d’une onde de cisaillement ajoute à son pouvoir discriminant. Ce travail présente une étude du comportement variable temporel de trois paramètres statistiques (l’intensité moyenne, le paramètre de structure et le paramètre de regroupement des diffuseurs) d’un modèle général pour l’enveloppe écho de l’onde ultrasonore rétrodiffusée (c.-à-d., la K-distribution homodyne) sous la propagation des ondes de cisaillement. Des ondes de cisaillement transitoires ont été générés en utilisant la mèthode d’ imagerie de cisaillement supersonique ( «supersonic shear imaging » - SSI) dans trois fantômes in-vitro macroscopiquement homogènes imitant le sein avec des propriétés mécaniques différentes, et deux fantômes ex-vivo hétérogénes avec tumeurs de souris incluses dans un milieu environnant d’agargélatine. Une comparaison de l’étendue des trois paramètres de la K-distribution homodyne avec et sans propagation d’ondes de cisaillement a montré que les paramètres étaient significativement (p < 0,001) affectès par la propagation d’ondes de cisaillement dans les expériences in-vitro et ex-vivo. Les résultats ont également démontré que la plage dynamique des paramétres statistiques au cours de la propagation des ondes de cisaillement peut aider à discriminer (avec p < 0,001) les trois fantômes homogènes in-vitro les uns des autres, ainsi que les tumeurs de souris de leur milieu environnant dans les fantômes hétérogénes ex-vivo. De plus, un modéle de régression linéaire a été appliqué pour corréler la plage de l’intensité moyenne sous la propagation des ondes de cisaillement avec l’amplitude maximale de déplacement du « speckle » ultrasonore. La régression linéaire obtenue a été significative : fantômes in vitro : R2 = 0.98, p < 0,001 ; tumeurs ex-vivo : R2 = 0,56, p = 0,013 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,59, p = 0,009. En revanche, la régression linéaire n’a pas été aussi significative entre l’intensité moyenne sans propagation d’ondes de cisaillement et les propriétés mécaniques du milieu : fantômes in vitro : R2 = 0,07, p = 0,328, tumeurs ex-vivo : R2 = 0,55, p = 0,022 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,45, p = 0,047. Cette nouvelle approche peut fournir des informations supplémentaires à l’échographie quantitative statistique traditionnellement réalisée dans un cadre statique (c.-à-d., sans propagation d’ondes de cisaillement), par exemple, dans le contexte de l’imagerie ultrasonore en vue de la classification du cancer du sein.

A Fully Automatic Calibration Framework for Navigated Ultrasound Imaging

Navigated ultrasound (US) imaging is used for the intra-operative acquisition of 3D image data during imageguided surgery. The presented approach includes the design of a compact and easy to use US calibration device and its integration into a software application for navigated liver surgery. User interaction during the calibration process is minimized through automatic detection of the calibration process followed by automatic image segmentation, calculation of the calibration transform and validation of the obtained result. This leads to a fast, interaction-free and fully automatic calibration procedure enabling intra-operative