Lecture to the master thesis from Yuanbo Chen on the Topic : 3D Ultrasound Computer Tomography using the Paraxial Approximation
Female breast cancer has become the most commonly diagnosed cancer worldwide. Currently, X-ray mammography is regarded as the standard method for detection and diagnosing of breast cancer. The benefits are high sensitivity and low cost, but it also has harmful ionizing radiation. 3D ultrasound computer tomography (3D USCT) is therefore served as a new imaging method for early breast cancer diagnosis because of its high resolution and non-ionizing radiation. The Karlsruhe USCT-System is a real 3D-system incorporating beside reflection also transmission tomography therefore enabling 3D-speed-of-sound and attenuation images. These methods allow a more specific access to breast cancer diagnostic superior in comparison with all other methods. To reconstruct images by 3D USCT, the difference between simulated fields with a forward model and measured values has to be minimized. Under the assumption that wave propagation is mainly in the near-axis direction, paraxial approximation is used for the forward simulation. This approximation has the advantages of lower complexity than full wave methods and higher precision than straight-ray methods.
In this work, the 3D simulation model of the wave propagation is developed based on the 2D version. The setup of the 3D reconstruction program is based on the actual geometry of the 3D USCT Ⅲ device. Different piezos at the transducer array system are chosen as the source to generate the pressure field in the aperture. Paraxial approximation method is used in the forward propagation simulation. 3D redatuming is developed to obtain the back-projected field distribution on the final plane. 3D reconstruction is built up according to L-BFGS algorithm and is tested with a resolution phantom and a segmented magnetic resonance imaging breast phantom.
Lecture language: English
---
Vortrag zur Masterarbeit von Yuanbo Chen zum Thema: 3D Ultraschall Computertomographie unter Verwendung der paraxialen Approximation
Brustkrebs bei Frauen ist weltweit die am häufigsten diagnostizierte Krebserkrankung. Derzeit gilt die Röntgen-Mammographie als Standardmethode zur Erkennung und Diagnose von Brustkrebs. Die Vorteile sind hohe Empfindlichkeit und niedrige Kosten, aber sie hat auch schädliche ionisierende Strahlung. Die 3D Ultraschall Computertomographie (3D USCT) dient daher aufgrund ihrer hohen Auflösung und nichtionisierender Strahlung als neues bildgebendes Verfahren zur Brustkrebsfrüherkennung. Das Karlsruher USCT-System ist ein echtes 3D-System, das neben Reflexion auch Transmissionstomographie beinhalte und somit 3D-Schallgeschwindigkeits und Dämpfungsbilder ermöglicht. Diese Methoden ermöglichen einen spezifischeren Zugang zur Brustkrebsdiagnostik, die allen anderen Methoden überlegen ist. Um Bilder durch 3D-USCT zu rekonstruieren, muss der Unterschied zwischen simulierten Feldern mit einem Vorwärtsmodell und gemessenen Werten minimiert werden. Unter der Annahme, dass die Wellenausbreitung hauptsächlich in achsnaher Richtung erfolgt, wird für die Vorwärtssimulation eine paraxiale Approximation verwendet. Diese Annäherung hat die Vorteile einer geringeren Komplexität als bei Vollwellenverfahren und einer höheren Präzision als bei Straight-Ray-Verfahren.
In dieser Arbeit wird das 3D Simulationsmodell der Wellenausbreitung basierend auf der 2D Version entwickelt. Der Aufbau des 3D Rekonstruktionsprogramms basiert auf der tatsächlichen Geometrie des 3D-USCT Ⅲ Geräts. Als Quelle zur Erzeugung des Druckfeldes in der Apertur werden verschiedene Piezos am Transducer Array System gewählt. Bei der Vorwärtsausbreitungssimulation wird ein paraxiales Approximationsverfahren verwendet. 3D Redatumierung wird entwickelt, um die rückprojizierte Feldverteilung auf der endgültigen Ebene zu erhalten. Die 3D Rekonstruktion ist nach dem L-BFGS-Algorithmus aufgebaut und wird mit einem Auflösungsphantom und einem segmentierten Magnetresonanztomographie-Brustphantom getestet.
Vortragssprache: Englisch