Improvement of image quality of transcranial Doppler ultrasound

Gupta, Shreyank (2021). Improvement of image quality of transcranial Doppler ultrasound. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (5MB) | Prévisualisation

Résumé

Transcranial Doppler (TCD) sonography is an ultrasound method that measures blood flow velocity (FV) from the cerebral vessels. The use of TCD sonography is highly attractive as a modality because of its non-invasive nature and portability. Although TCD is recommended in the clinics, its usage is hindered in cases like vasospasm, which requires blood flow rate calculation. Blood flow rate calculation requires accurate measurement of the diameter of the blood vessel, and it can only be calculated when the image quality is good. The problem with TCD lies in the low ultrasonic energy penetrating inside the brain through the skull which leads to a low signal-to-noise ratio. This is because of several effects including phase aberration, variations in the speed of sound in the skull, scattering, the acoustic impedance mismatch, and absorption of the three-layer medium made up of soft tissues, the skull, and the brain. Secondly, there is also an energy loss because of the texture of the temporal bone. This thesis seeks to mitigate such limitations firstly through the development of an analytical model that studies the effect of transmission losses because of the acoustic impedance mismatch on the transmitted energies as a function of frequency. To do so, the wave propagation model will be shown from the ultrasonic transducer into the brain. This model calculates frequency-dependent transmission coefficient for a given skin and bone thickness. This approach was validated experimentally by comparing the analytical results with measurements obtained from a bone phantom plate mimicking the skull. The results showed that there is a possibility to choose an optimized excitation frequency based on the skin and the bone thicknesses improving the image quality of TCD. Based on these results, Doppler experiments were performed on the flat bone phantom plate considering the acoustic impedance mismatch effect. The results allowed the visualization of FV in the blood vessel phantom for the selected frequencies for which there is a high SNR. It was also shown in the results that there were some frequencies for which Doppler measurement was not possible because of low SNR. Blood mimicking fluid flow rates were calculated, which showed great consistency across different experiments. Doppler experimental results showed a major dependency on acoustic impedance mismatch. Surface adaptive ultrasound (SAUL) method, a well-known method in non-destructive testing (NDT) was proposed to mitigate the effect of transmitted energy losses due to the irregular surface of the temporal bone phantom. Firstly, a finite element model (FEM) using POGO is proposed, which implemented the SAUL method to calculate the difference in the transmitted energy with a plane wave and surface compensated wave. The results got from FEM laid a proof of concept for the experiments. Experiments were performed using five different temporal bone phantoms having different thicknesses, attenuation, and texture. The results available from these experiments showed higher transmitted energy with a surface compensated wave. Overall, the results obtained from this work laid a strong background to do an in-vivo study for larger samples to quantify the success rate in TCD using the proposed methods.

Titre traduit

Amélioration de la qualité d’image de l’échographie Doppler transcrânienne

Résumé traduit

L’échographie Doppler transcrânienne (TCD) est une méthode échographique qui mesure la vitesse du flux sanguin (FV) des vaisseaux cérébraux. L’utilisation de l’échographie TCD est très intéressante en raison de sa nature non invasive et de sa portabilité. Bien que le TCD soit recommandé dans les cliniques, son utilisation est entravée dans des cas comme le vasospasme puisque le calcul du débit sanguin est requis. Le calcul du débit sanguin nécessite une mesure précise du diamètre du vaisseau sanguin, et il ne peut être calculé que lorsque la qualité de l’image est bonne. Le problème avec le TCD réside dans la faible énergie ultrasonore qui pénètre à l’intérieur du cerveau, ce qui conduit à un faible rapport signal / bruit. Cela est dû à plusieurs effets, notamment l’aberration de phase, les variations de la vitesse du son dans le crâne, la diffusion, la discordance d’impédance acoustique et l’absorption du milieu à trois couches. Cette thèse cherche à pallier ces limitations dans un premier temps à travers le développement d’un modèle analytique qui étudie l’effet des pertes par transmission du aux variations impédance acoustique. Ce modèle calcule le coefficient de transmission dépendant de la fréquence pour une couche de peau et une épaisseur osseuse données. Cette approche a été validée expérimentalement en comparant les résultats analytiques avec des mesures obtenues à partir d’une plaque fantôme osseuse imitant le crâne. Les résultats ont montré qu’il était possible de choisir une fréquence d’excitation optimisée en fonction de la peau et des épaisseurs osseuses améliorant la qualité d’image du TCD. Sur la base de ces résultats, des expériences Doppler ont été réalisées sur la plaque fantôme osseuse plate en tenant compte de l’effet de désadaptation d’impédance acoustique. Les résultats ont permis la aux fréquences ayant un SNR élevé de la FV aux fréquences ayant un SNR élevé. Les débits sanguins ont été calculés, ce qui a montré une grande cohérence entre les différentes expériences. L’adaption de l’émission ultrasonore à une surface irrégulière telle qu’utilisée en contrôle nondestructif a par la suite été investigué pour la fenêtre temporale. Un modèle éléments finis a été utilisé pour démontrer le concept. Des expériences ont été réalisées sur cinq fantômes d’os temporal différents ayant des épaisseurs, une atténuation et une texture différentes. Les résultats disponibles de ces expériences ont montré une énergie transmise plus élevée avec une onde compensée en surface. Dans l’ensemble, les résultats obtenus à partir de ces travaux ont jeté les bases d’une étude in vivo afin de quantifier le taux de réussite du TCD à l’aide des méthodes proposées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 91-100).
Mots-clés libres:	échographie médicale, ondes ultrasonores massives, échographie Doppler, traitement du signal, impédance acoustique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Codirecteur:	Codirecteur Laporte, Catherine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 août 2022 15:27
Dernière modification:	12 août 2022 15:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3056

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt