Schall breitet sich nicht geradlinig aus. Dies sorgt bei Ultraschallabbildungsverfahren für Fehler. Die nicht geradlinige Ausbreitung des Schalls ist eine der Ursachen, warum Ultraschallabbildungen normalerweise nicht ihre optimale Auflösung erreichen. Viele Korrekturverfahren zur Bildverbesserung bauen darauf auf, die wahren Schallaufwege zu ermitteln.
Ein Ziel dieser Diplomarbeit war die Entwicklung und Implementierung eines Algorithmus zur Korrektur von Schallgeschwindigkeitsbildern. Der Algorithmus soll die nichtlineare Schallausbreitung im Gewebe verfolgen.
Die Arbeit umfasste das Design und den Aufbau eines Phantoms um die Effekte der Nichtlinearität zu zeigen. Das Phantom sollte mit geeigneten Materialien gebaut werden, die eine kleine Dämpfung und eine Schallgeschwindigkeit ähnlich Wasser (1500 m/s) haben, aber nicht wasserlöslich, fest und nicht verformbar sein. Diese Eigenschaften müssen erfüllt werden, da die Messungen im Wasser als Koppelmedium durchgeführt werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Motivation
1.1 Einleitung
1.2 Diagnoseverfahren
1.3 Ziele der Arbeit
2 Grundlagen
2.1 Prinzip der Ultraschall-Computertomographie
2.2 Transmissionstomographie
2.3 Bildrekonstruktion
2.3.1 Die Radon-Transformation
2.3.2 Das Fourier-Scheiben-Theorem
2.4 Rekonstruktion mit Strahlverfolgung
3 Implementierung
3.1 Einarbeitung in die bestehende Software
3.1.1 Software für die Datenvorverarbeitung
3.1.2 Software für die Bildrekonstruktion
3.2 Implementierung in Matlab
3.2.1 Bresenham-Algorithmus
3.2.2 Strahlverfolgung und Bildrekonstruktions-Algorithmus
3.2.2.1 Datenvorbereitung
3.2.2.2 Hauptfunktionalität des Algorithmus
3.2.2.3 Empfänger und Zeiten finden
3.2.2.4 Bildrekonstruktion
4 Phantomaufbau
4.1 Eigenschaften und Materialien
4.2 Auswahl und Tests der Materialien
4.3 Phantomaufbau
5 Ergebnisse
5.1 Test des Algorithmus auf künstlichen Daten
5.1.1 Test auf homogenen Bildern
5.1.2 Test auf inhomogenen Bildern
5.2 Phantom
5.3 Bildrekonstruktion des aufgebauten Phantoms
6 Diskussion und Ausblick
6.1 Diskussion
6.2 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung eines Algorithmus zur Korrektur nichtlinearer Schallausbreitungseffekte bei der Ultraschall-Computertomographie, um die Genauigkeit von Schallgeschwindigkeitsbildern in der Brustkrebsfrüherkennung zu verbessern. Die Forschungsfrage untersucht, ob eine Modellierung der nichtlinearen Schallpfade im Gewebe zu einer signifikanten Steigerung der Bildqualität gegenüber herkömmlichen linearen Rekonstruktionsverfahren führt.
- Grundlagen der Ultraschall-Computertomographie und Bildrekonstruktion.
- Implementierung eines Strahlverfolgungsalgorithmus in Matlab.
- Entwicklung und Aufbau eines physischen Phantoms zur Evaluierung der Korrekturmethoden.
- Vergleichende Analyse der Rekonstruktionsergebnisse anhand künstlicher Datensätze und realer Phantomaufnahmen.
Auszug aus dem Buch
1.3 Ziele der Arbeit
Die Ziele dieser Diplomarbeit gliederten sich in zwei Teilziele:
Korrektur nichtlinearer Schallwege in Schallgeschwindigkeitsbildern
Schall ist eine Welle die zur Ausbreitung ein Medium benötigt. In Gewebe breiten sich die Schallwellen in Form von Longitudinalwellen aus. Im theoretischen Fall einer idealen Punktquelle breitet sich der Schall in einem homogenen schallleitenden Medium nach allen Richtungen symmetrisch und geradlinig vom Sender (also der Schallquelle) weg aus. An den diffusen Grenzschichten innerhalb der Brust, z.B. Zysten, Fettgewebe, Brustdrüsenläppchen, Drüsengewebsgeschwulst (gutartig), Drüsengewebskrebs..., treten Brechungen auf, durch die der Schallweg gekrümmt wird. Die Durchschnittsgeschwindigkeit υ des Schalls ergibt sich aus der Formel
υ = s/t (1.1)
Die Strecke s ist die kürzeste Strecke zwischen Sender, Empfänger und der Laufzeit t (Time of flight). Im Falle der Nichtlinearität wird die Strecke s (s2) größer (siehe Abbildung 1.8) und es ergibt sich eine neue Durchschnittsgeschwindigkeit υ. Es soll ein Algorithmus entworfen und implementiert werden, der es ermöglicht aus einem ersten Schallbild die Wege der Schallausbreitung zu verfolgen, und der dann zur Rekonstruktion eines verbesserten Schallbildes führt. Die Implementierung soll in der Entwicklungsumgebung Matlab erfolgen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Motivation: Dieses Kapitel motiviert die Arbeit durch die Relevanz der Brustkrebsfrüherkennung und erläutert die Zielsetzung zur Korrektur nichtlinearer Schallwege.
2 Grundlagen: Hier werden die theoretischen Basisprinzipien der Ultraschall-Computertomographie, der Transmissionstomographie, der Radon-Transformation sowie der Rekonstruktion mittels Strahlverfolgung behandelt.
3 Implementierung: Dieses Kapitel beschreibt die softwaretechnische Umsetzung in Matlab, insbesondere den Bresenham-Algorithmus und den Strahlverfolgungs- sowie Rekonstruktionsalgorithmus.
4 Phantomaufbau: Hier wird der Entwurf, die Materialwahl und der physische Aufbau eines Phantoms zur experimentellen Validierung beschrieben.
5 Ergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die Testergebnisse des Algorithmus an künstlichen Daten sowie die Bildrekonstruktion des aufgebauten Phantoms.
6 Diskussion und Ausblick: Diese Sektion reflektiert die erzielten Ergebnisse, diskutiert den Zeitaufwand der Implementierung und gibt einen Ausblick auf zukünftige Optimierungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Ultraschall-Computertomographie, USCT, Transmissionstomographie, Bildrekonstruktion, Strahlverfolgung, Bresenham-Algorithmus, Nichtlineare Schallausbreitung, Phantomaufbau, Gelatine, Glycerol, Schallgeschwindigkeit, Matlab, Brustkrebsfrüherkennung, Reflexionsbilder, Signalverarbeitung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Verbesserung der Bildqualität bei der Ultraschall-Computertomographie, speziell durch die Korrektur von Fehlern, die durch die nicht geradlinige Ausbreitung von Schallwellen im menschlichen Gewebe entstehen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die physikalischen Grundlagen der Ultraschallausbreitung, Algorithmen zur digitalen Bildrekonstruktion mittels Strahlverfolgung und der experimentelle Aufbau von Phantomen zur Validierung neuer Verfahren.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung und Implementierung eines Algorithmus in Matlab, der die nichtlineare Ausbreitung von Schallwellen modelliert und korrigiert, um präzisere Schallgeschwindigkeitsbilder zu erzeugen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt die Strahlverfolgung (Ray Tracing) als Rekonstruktionsmethode. Dabei wird der Schallpfad durch eine Kette von Pixeln approximiert, um die Schallgeschwindigkeit iterativ zu korrigieren.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der Rekonstruktionsmethoden, die detaillierte Beschreibung der Matlab-Implementierung sowie die Dokumentation der Konzeption und des Baus eines speziellen Phantoms aus Gelatine und anderen Zusätzen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Ultraschall-Computertomographie (USCT), Bildrekonstruktion, Strahlverfolgung, Nichtlinearität und Phantomdesign charakterisiert.
Warum wurde Gelatine als Phantommaterial gewählt?
Gelatine wurde gewählt, da sie in ihren akustischen Parametern wie Schallgeschwindigkeit und Dämpfung biologischem Gewebe sehr nahe kommt und in Kombination mit Wasser oder anderen Zusätzen gut verarbeitbar ist.
Warum konnte die erhoffte Kontrastverbesserung nicht abschließend nachgewiesen werden?
Obwohl der Algorithmus die Schallgeschwindigkeiten korrekt anhebt, stieg auch die Schallgeschwindigkeit des umgebenden Gelatinematerials unerwünscht mit an, wodurch der relative Kontrastunterschied zwischen den Zielstrukturen (Strohhalme) und der Umgebung zu gering blieb.
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- Dipl. Ing Moulay Rachid Maoukil (Author), 2005, Brustkrebsfrüherkennung mit 3D-Ultraschall-Computertomographie: Nichtlineare Transmissionstomographie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186072
