Refraction corrected transmission ultrasound computed tomography for application in breast imaging

Purpose: We present an iterative framework for CT reconstruction from transmission ultrasound data which accurately and efficiently models the strong refraction effects that occur in our target application: Imaging the female breast. Methods: Our refractive ray tracing framework has its foundation in the fast marching method (FNMM) and it allows an accurate as well as efficient modeling of curved rays. We also describe a novel regularization scheme that yields further significant reconstruction quality improvements. A final contribution is the development of a realistic anthropomorphic digital breast phantom based on the NIH Visible Female data set. Results: Our system is able to resolve very fine details even in the presence of significant noise, and it reconstructs both sound speed and attenuation data. Excellent correspondence with a traditional, but significantly more computationally expensive wave equation solver is achieved. Conclusions: Apart from the accurate modeling of curved rays, decisive factors have also been our regularization scheme and the high-quality interpolation filter we have used. An added benefit of our framework is that it accelerates well on GPUs where we have shown that clinical 3D reconstruction speeds on the order of minutes are possible.

Refraction in spacetime

Refraction, interference, and diffraction are distinguishing features of wavelike phenomena. Although they are usually associated only with a purely spatial wave-propagation pattern, analogs to interference and diffraction involving the spatio-temporal dynamics of waves in one dimension have been discussed. We complete the triplet of analogies by discussing how spatio-temporal analogs to refraction are exhibited by a quantum particle in one dimension that is scattering off a step barrier. Similarly, birefringence in spacetime occurs for a spin-1/2 particle in a magnetic field.

Upper-mantle seismic anisotropy from SKS splitting in the South American stable platform: A test of asthenospheric flow models beneath the lithosphere

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Holographic recording in [Sb(Po-3)(3)](n)-Sb2O3 glassy films by photoinduced volume and refraction index changes

Glassy films of 0.2[Sb(PO3)(3)]-0,8Sb(2)O(3) with 0.8 mum-thickness were deposited on quartz substrates by electron beam evaporation. A contraction in the film thickness (photoinduced decrease in volume) and photobleaching effect associated with a decrease of up to 25% in the index of refraction has been observed in the films after irradiation near the bandgap (3.89 eV), using the 350.7 nm (3.54 eV) Kr+ ion laser line with 2.5 W/cm(2) for 30 min. A loss of 30% in the phosphorus concentration was measured by wavelength dispersive X-ray microanalysis in the film after laser irradiation with 5.0 W/cm(2) for 1.0 h. These photoinduced changes in the samples are dependent on the power density and intensity profile of the laser beam. Using a Lloyd's mirror setup for continuous wave holography it was possible to record holographic gratings with period from 500 nm up to 20 mum and depth profile of similar to50 nm in the films after laser irradiation with 5.0 W/cm(2) for 1 h. Real-time diffraction efficiency measurements have shown that ultraviolet irradiation induces first a refractive index grating formation, and after this, the photocon traction effect takes place generating an irreversible relief grating. Diffraction efficiency up to 10% was achieved for the recorded gratings. 3D-refraction index measurements and atomic force microscopy images are presented. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Geothermal investigations in an area of induced seismic activity, northern São Paulo State, Brazil

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Overlap of isochrone resonances: Chaos and refraction

We consider the two nonconcentric circles billiard, with the inner circle as a refringent medium, in order to study the classical dynamics of a light ray. The eccentricity controls the chaotic sea intensity and the refraction index acts on the integrable portion of the phase space, prompting the appearance and overlapping of isochrone resonances. Numerical results are presented and discussed.

The use of shallow seismic reflection technique in near surface exploration of urban sites: An evaluation in the city of SãO Paulo, Brazil

In order to evaluate the use of shallow seismic technique to delineate geological and geotechnical features up to 40 meters depth in noisy urban areas covered with asphalt pavement, five survey lines were conducted in the metropolitan area of São Paulo City. The data were acquired using a 24-bit, 24-channel seismograph, 30 and 100 Hz geophones and a sledgehammer-plate system as seismic source. Seismic reflection data were recorded using a CMP (common mid point) acquisition method. The processing routine consisted of: prestack band-pass filtering (90-250 Hz); automatic gain control (AGC); muting (digital zeroin) of dead/noisy traces, ground roll, air-wave and refracted-wave; CMP sorting; velocity analyses; normal move-out corrections; residual static corrections; f-k filtering; CMP stacking. The near surface is geologically characterized by unconsolidated fill materials and Quaternary sediments with organic material overlying Tertiary sediments with the water table 2 to 5 m below the surface. The basement is composed of granite and gneiss. Reflections were observed from 40 milliseconds to 65 ms two-way traveltime and were related to the silt clay layer and fine sand layer contact of the Tertiary sediments and to the weathered basement. The CMP seismic-reflection technique has been shown to be useful for mapping the sedimentary layers and the bedrock of the São Paulo sedimentary basin for the purposes of shallow investigations related to engineering problems. In spite of the strong cultural noise observed in these urban areas and problems with planting geophones we verified that, with the proper equipment, field parameters and particularly great care in data collection and processing, we can overcome the adverse field conditions and to image reflections from layers as shallow as 20 meters.

Cross-hole and seismic CPT tests in a tropical soil site

A large portion of Brazil is covered with tropical soils but literature about dynamic parameters of these soils is very limited. SCPT and cross-hole tests were carried out at an experimental research site inland in the state of São Paulo, Brazil. Shear wave velocities (VS) determined based on both tests are presented and compared. A good agreement was observed between both test results and the differences can be associated with soil variability, which was very sensitive to CPT tests. It was also observed that Go/q c ratio determined based on SCPT appears to be an interesting technique to help identify tropical soils. Copyright ASCE 2006.

Developing a system for down-hole seismic testing together with the CPTU

This paper presents a system for performing down-hole seismic test together with the piezocone test in order to determine the shear wave velocity (Vs) and for calculating the maximum shear modulus (Go); a basic parameter for analyzing the dynamic soil behavior and a reference value of the soil stiffness. The system components are described and tests results for checking the geophone response are also presented, both before and after installation into the probe. The system was used in down-hole tests carried out at three experimental research sites located in the interior of Sao Paulo State, Brazil, where in situ seismic test results are available. The Vs values measured in down-hole tests carried out with this system were consistent with those determined in cross-hole tests and with a commercial seismic piezocone, which enabled to validate the developed system.

The seismic SPT to determine the maximum shear modulus

This paper presents the first results of a system to carry out seismic SPT, which associates the up-hole seismic technique to the currently used SPT test. This hybrid test allows determining the maximum shear modulus (G 0) together with the SPT test. G 0 is the most important dynamic soil parameter and it is calculated based on the shear wave velocity (V S) measurements. The equipment and the method of analysis will be briefly described. The V s values measured using the S-SPT in one experimental research site located inland of Sao Paulo State-Brazil are presented and compared with down-hole and Seismic CPT test data. These preliminary results indicate that the S-SPT was satisfactory and can be used for dynamic site characterization.

Desenvolvimento de sistema para sísmica up-hole em conjunto com o ensaio SPT

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

CRS seismic data imaging system: a case study for basib reevaluation

Este trabalho apresenta resultados práticos de uma atenção sistemática dada ao processamento e à interpretação sísmica de algumas linhas terrestres do conjunto de dados do gráben do Tacutu (Brasil), sobre os quais foram aplicadas etapas fundamentais do sistema WIT de imageamento do empilhamento CRS (Superfície de Reflexão Comum) vinculado a dados. Como resultado, esperamos estabelecer um fluxograma para a reavaliação sísmica de bacias sedimentares. Fundamentado nos atributos de frente de onda resultantes do empilhamento CRS, um macro-modelo suave de velocidades foi obtido através de inversão tomográfica. Usando este macro-modelo, foi realizado uma migração à profundidade pré- e pós-empilhamento. Além disso, outras técnicas baseadas no empilhamento CRS foram realizadas em paralelo como correção estática residual e migração de abertura-limitada baseada na zona de Fresnel projetada. Uma interpretação geológica sobre as seções empilhadas e migradas foi esboçada. A partir dos detalhes visuais dos painéis é possível interpretar desconformidades, afinamentos, um anticlinal principal falhado com conjuntos de horstes e grábens. Também, uma parte da linha selecionada precisa de processamento mais detalhado para evidenciar melhor qualquer estrutura presente na subsuperfície.

Espalhamento geométrico em modelos plano-estratificados

A medição de parâmetros físicos de reservatórios se constitui de grande importância para a detecção de hidrocarbonetos. A obtenção destes parâmetros é realizado através de análise de amplitude com a determinação dos coeficientes de reflexão. Para isto, faz-se necessário a aplicação de técnicas especiais de processamento capazes de corrigir efeitos de divergência esférica. Um problema pode ser estabelecido através da seguinte questão: Qual o efeito relativamente mais importante como responsável pela atenuação de amplitudes, o espalhamento geométrico ou a perda por transmissividade? A justificativa desta pergunta reside em que a correção dinâmica teórica aplicada a dados reais visa exclusivamente o espalhamento geométrico. No entanto, a análise física do problema por diferentes direções põe a resposta em condições de dúvida, o que é interessante e contraditório com a prática. Uma resposta embasada mais fisicamente pode dar melhor subsídio a outros trabalhos em andamento. O presente trabalho visa o cálculo da divergência esférica segundo a teoria Newman-Gutenberg e corrigir sismogramas sintéticos calculados pelo método da refletividade. O modelo-teste é crostal para que se possa ter eventos de refração crítica além das reflexões e para, com isto, melhor orientar quanto à janela de aplicação da correção de divergência esférica o que resulta em obter o então denominado “verdadeiras amplitudes”. O meio simulado é formado por camadas plano-horizontais, homogêneas e isotrópicas. O método da refletividade é uma forma de solução da equação de onda para o referido modelo, o que torna possível um entendimento do problema em estudo. Para se chegar aos resultados obtidos foram calculados sismogramas sintéticos através do programa P-SV-SH desenvolvido por Sandmeier (1998), e curvas do espalhamento geométrico em função do tempo para o modelo estudado como descrito por Newman (1973). Demonstramos como uma das conclusões que a partir dos dados do modelo (velocidades, espessuras, densidades e profundidades) uma equação para a correção de espalhamento geométrico visando às “verdadeiras amplitudes” não é de fácil obtenção. O objetivo maior então deveria ser obter um painel da função de divergência esférica para corrigir as verdadeiras amplitudes.

Mapeamento de jazidas de bauxitas no Distrito Paragominas – Açailândia (PA-MA) pelo método da sísmica de refração

Nos últimos 30 anos no Brasil, o mapeamento de camada bauxítica tem sido sempre efetuado através de perfilagens de poços. Neste estudo, aplicou-se o método da sísmica de refração rasa pela primeira vez, em cerca de 3.000m de perfis, em caráter experimental em algumas localidades ao longo da rodovia BR-10, assim como no Platô Esperança (região de Jabuti-PA) e perto da cidade de Açailândia (MA); com objetivo de delimitar a camada de bauxita. Embora se tenha utilizado, em algumas ocasiões, durante a interpretação, o método de distância crítica no cálculo de profundidade, foi possível, mediante o emprego do Método Recíproco Generalizado (GRM), o processamento e interpretação dos dados, para se obter a delimitação contínua da camada investigada. O GRM apresenta vantagens sobre os métodos tradicionais, tais como poder delimitar camadas onduladas, detetar camadas escondidas, além da sensibilidade para camadas com mergulho até 20°. A partir dós gráficos da análise de velocidade, foi calculada para a camada de bauxita uma velocidade média de 840 m/s, e mediante o emprego dos tempos de profundidade chegou-se a sua delimitação: ela possui um comportamento irregular, tendo uma espessura média de 5m. A pesquisa geofísica realizada nas três áreas-piloto tem grande importância porque o método utilizado poderá ser aplicado a outras regiões, em condições geológicas semelhantes.

Métodos sísmicos de refração e eletromagnético aplicados ao estudo de um paleocanal da Ilha do Marajó, Pará

Os métodos sísmico de refração e eletromagnético foram aplicados, em caráter experimental, à prospecção de água subterrânea. A eficiência destes métodos foi testada com cerca de 1.500m de perfis de refração rasa na delimitação geométrica em três dimensões de um paleocanal na região dos campos naturais da Ilha de Marajó e com um perfil eletromagnético (técnica Slingram) para a detecção de contatos laterais de água doce-água salobra. A interpretação dos dados sísmicos foi realizada com as equações de tempo de intersecção para n camadas inclinadas com o auxílio do controle geológico de 2 (dois) poços para contornar problemas de camadas não detectadas. Obteve-se uma baixa velocidade (0,81 km/s) para os sedimentos silte-arenosos saturados que preenchem o paleocanal. Em virtude da inversão de velocidades ter sido obtida como resultado para estes sedimentos, não se aconselha o mapeamento de paleocanais pela sísmica de refração, salvo com a utilização de técnicas especiais de campo (registro digital, 'up-hole survey', registro ondas S, reflexão simultânea, ...). Os dados eletromagnéticos foram analisados semi-quantitativamente com o auxílio de um modelo reduzido construído a partir de uma seção de resistividades aparentes. Um diagrama de Argand, traçado com os dados de laboratório, fornece subsídios para a determinação da condutância em ambientes de sedimentos não consolidados análogos ao de Marajó. Recomenda-se a utilização dos métodos eletromagnéticos para o reconhecimento lateral de zonas de água doce-água-salobra, uma vez que a componente quadratura da frequência alta (2640 Hz) define, com precisão suficiente, estas zonas. A comparação dos resultados dos dois métodos mostra que apenas parte do paleocanal se comporta como um aquífero.