Determine power law parameters for ultrasound attenuation imaging

by Mr Clemens Feucht (IPE - KIT)

Wednesday Jun 26, 2024, 3:30 PM → 4:30 PM Europe/Berlin

413 (IPE)

Master thesis presentation of Clemens Feucht: Determine power law parameters for ultrasound attenuation imaging

Abstract:

Ultrasound attenuation maps are an important imaging modality of medical ultrasound tomography. Many approaches however only put focus on the attenuation at a specific or dominant frequency with small bandwidth or the broad band attenuation of a signal with large bandwidth. Yet, attenuation by tissue is typically considered to be frequency dependent. In the literature this is modelled linearly or with a power law (Attenuation = alpha * f^y in dB/cm, where alpha is attenuation coefficient in dB/(MHz^y * cm), f is frequency in MHz and y is attenuation exponent).
Using the approach of the power law attenuation, we developed a method to determine the according parameters (alpha and y) from measured data of KIT’s 3D USCT III with broadband signals (0.5-5 MHz). The individual broadband transmission signals are being windowed and  transformed into the Fourier domain to calculate an attenuation value for sub-bands of the available bandwidth. Subsequently an attenuation map is reconstructed for each sub-band. These attenuation maps are used to perform a parameter fit for each voxel to determine the two  parameters alpha and y.
The method has been applied successfully on simulated 3D data using a ray based simulation suite to validate the approach (RMSE of alpha = 0.0920 dB/(MHz^y * cm),  RMSE of y = 0.0896). Furthermore the k-wave toolbox has been used to  test the concept with 2D simulated data (RMSE of alpha = 0.0316 dB/(MHz^y * cm), RMSE of y = 0.2197). In addition results with experimental data will be presented.

Lecture language: English

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Vorstellung der Bachelorarbeit von Clemens Feucht mit dem Thema: Rekonstruktion der frequenzabhängigen Dämpfung für die Ultraschall-Computertomographie

Kurzfassung:

Dämpfungsbilder gehören zu den wichtigen Darstellungsmodalitäten bei medizinischer Ultraschall-Computertomographie. Meistens wird die Dämpfung allerdings lediglich für eine spezifische oder dominante Frequenz bei einer bestimmten Bandbreite angegeben. Bei genauer Betrachtung stellt sich allerdings heraus, dass Ultraschalldämpfung in Gewebe frequenzabhängig ist. Dies wird entweder linear oder mit einem Potenzgesetz modelliert (Dämpfung= alpha * fy in dB/cm, alpha ist Dämpfungskoeffizient in dB/(MHz^y * cm), f ist Frequenz in MHz und y ist Dämpfungsexponent). Für den Ansatz des Potenzgesetzes wurde eine Methode entwickelt, um die Parameter alpha und y von breitbandig (0,5-5 MHz) gemessenen 3D USCT III Daten des KIT zu bestimmen.  Die gemessenen Transmissionssignale werden gefenstert und in den Fourierraum transformiert, um Dämpfungswerte für Sub-Frequenzbänder zu berechnen. Hierauf wird für jedes der Frequenzbänder ein Dämpfungsbild erzeugt. Diese werden anschließend verwendet, um mithilfe einer Fit-Funktion für jeden einzelnen Voxel die beiden Parameter alpha und y zu bestimmen.

Die Methode wurde erfolgreich auf 3D-Daten einer strahlenbasierten Simulation angewandt (RMSE alpha = 0,0920 dB/(MHz^y * cm),  RMSE y = 0,0896). Des weiteren wurde mit der k-wave Simulationsumgebung ein 2D-Datensatz erzeugt, um die Methode zu validieren (RMSE alpha = 0,0316 dB/(MHz^y * cm), RMSE y = 0,2197). Zusätzlich werden auch Ergebnisse von Echtdaten vorgestellt.

Vortragssprache: Englisch