Techniques in ultrasound tomographic imaging are investigated for high resolution and faithful image reconstruction using broadband pulse.
First, we investigated a numerical technique for the calculation of pulse-echo reflected from point and line reflectors based on three-dimensional diffraction theory. The resulting formular has the form efficiently used in the diffraction simulation of surface acoustic wave filters.
Second, the prior inverse filtering technique, in which the transducer is excited by a synthesized signal corresponding to the impulse response of the inverse filter, is applied to ultrasonic imaging for the improvement of the axial resolution. Diffraction effects of transducers and scatterers are discussed in view of the performance of the inverse filter. Experimental results demonstrating the diffraction effects on the pulse-echo duration are presented. It is shown that the axial resolution can be increased without noise amplification by a factor of two when the prior inverse filtering technique is applied to the medical B-scan image.
Third, several tomographic imaging techniques are investigated for the faithful image reconstruction of ultrasound reflectivity. A deconvolution kernel, which can improve the resolution without additional computation time compared to conventional filter kernels, is suggested, and it is shown experimentally that the deconvolution kernel is efficient in improving the resolution for relatively strong singal. Through a series of experiments, basic characteristics of ultrasound reflection tomography such as the effects of the view number and the view angle are examined and compared to the transmission CT, i.e., attenuation CT and velocity CT. Also, the effect of acoustic speed variation, i.e., inhomogenuous index of refraction, on ultrasonic reflection tomography is examined by computer simulation and experiment. The result shows that the resolving power of reflection tomography is lowered and structural distortions are caused by acoustic speed variation even in the case of small refractive index fluctuation, as in biological objects. A method based on transmission time-of-flight measurements is developed to correct this refraction effect, and its validity was experimentally verified for a test phantom and dog hearts.
Finally, we proposed an improved iterative reconstruction-reprojection algorithm for the reconstruction from incomplete projections, which does not require multiples of equations in the processes of the backprojection-reprojection and does not necessitate interpolation. Computer simulation and experimental results of ultrasound CT are presented and advantages of the proposed method are presented in comparison with the existing iterative reconstruction-reprojection algorithm. In addition, uniqueness and well-posedness of incomplete projection problem are discussed by the use of Youla's generalized orthogonal projection theorem.
본 논문의 목적은 광대역 펄스에 의한 정량적이고 충실한 인체의 단층 영상을 얻는데 있다. 논문의 주요내용은 다음과 같이 크게 3가지로 분류할 수 있다.
첫째, 광대역을 갖는 초음파 펄스의 발생방법에 관한 연구이다.
우선 초음파 반사펄스를 해석할수 있어야 하므로, 간단한 산란 물체에 대해 임의의 구조를 갖는 초음파 소자로부터 발사 수신된 초음파 반사펄스를 수치 해석 방법에 의해 계산할수있는 한 방법이 연구되었다. 초음파 펄스의 주파수 대역폭은 영상장치의 해상도에 직결되므로 광대역 펄스를 얻기 위해 선 역필터 처리 방법이 연구되었다. 이 선 역필터 처리 방법은 흔히 사용되는 역필터 처리 방법과는 달리 잡음영향을 받지 않기 때문에 실제 영상장치에 응용될수 있다. 선 역필터의 성능은 산란물체의 회절효과에 의해 저하되게 되는데 이를 해석하여 간단한 구조를 갖는 물체에 있어서는 이들의 영향이 무시될수 있음을 보였다. 각종 실험을 통하여 선 역필터 처리 방법은 2배 가량의 해상도 증가를 가져올수 있으며 의료영상 장치에 적용될수 있음을 보였다.
둘째, 초음파 반사도 영상 방법에 관한 연구로써 반사도 단층 영상의 여러가지 성질이 연구되었으며 감쇄도, 굴절율 단층영상과 비교되었다. 촬영각이 커질수록 반사도 단층영상에서 해상도가 향상되고 스펙클 (speckle) 잡음이 적어짐을 보였다. 따라서 컴파운드(Compound) 스캔 방법은 종래의 B-스캔 방법의 단점을 크게 보완할수 있음을 알수 있었다. 불균일한 굴절율을 갖는 매질내를 초음파가 전파할 때 파면이 왜곡됨으로써 발생되는 반사도 영상의 해상도 저하를 이론 및 실험적으로 연구하였으며 이에 대한 해결책으로써 굴절율 단층 영상을 근거로 반사도 영상을 보정하는 방법이 제시되었다. 컴퓨터 시뮬레이션 및 생체 실험을 통하여 제시된 불균일한 굴절율 분포의 영향에 대한 보정 방법이 유용함을 확인하였다.
세째, 초음파 단층 촬영시 불완전한 투영자료에서 원래의 영상을 재생할수 있는 반복계산 방법의 한 새로운 방법이 제시되었다. 인체내에서의 뼈, 가스 때문에 제한각이나 제한된 투영범위에서만 촬영이 가능한 경우 위의 불완전한 투영이 발생되게 되는데 종래의 반복 계산 방법의 경우 물체 공간과 투영공간에서 교대로 계산이 이루어지기 때문에 많은 내삽 오차가 발생한다. 제시된 반복 계산 방법에서는 반복계산의 수식을 변형하여 투영공간에서만 계산이 이루어지므로 내삽오차가 거의 발생하지 않는다. 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제시된 방법이 반복 계산시 내삽 오차를 발생시키기 않음을 보였다. 또한 위의 반복계산 방법은 수학적으로 명확히 증명이 되어있지 않기 때문에 Youla 의 일반적인 직교 투영 방법에 의한 영상재생 이론을 이용하여 제한각 문제는 유일한해를 가지고 항상 잘 풀릴수 있으며 제한 투영범위 문제는 유일한 해를 가지나 항상 잘 풀릴수는 없다는 점을 증명하였다.
