High-Resolution Ultrasound Imaging using Random Interference
Pavel S. Ni, and Heung-No Lee*, “High-Resolution Ultrasound Imaging Using Random Interference”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control (T-UFFC), March. 2020. (Impact Factor: 2.989, Do-Yak project) (PDF)
A team of researchers at Gwangju Institute of Science and Technology has developed a new ultrasound imaging method using random wave interference. The proposed method can image nylon wires as small as 0.08-mm in diameter.
Diagnostic ultrasound systems are used in hospitals to produce images of the internal organs. Ultrasound is a pulse-echo imaging modality. The initial ultrasound wave is transmitted into the human body. The ultrasound wave partially reflects from the tissue of the human body. Reflected ultrasound wave is sampled and saved as digital signals. The final ultrasound image is generated by processing the digital signals.
Compared to other diagnostic methods such as MRI, CT the Ultrasound is a most affordable imaging tool, however, it has a lowest spatial resolution. Our goal is to enhance spatial resolution of ultrasound systems.
From the inception of ultrasound imaging the researches have extensively used a beamforming method. The beamforming is a term referred to focusing the ultrasound waves into a narrow beam. By scanning the area of interest with the focused beam, researchers can obtain the image of the internal organs such as liver, heart, and kidney. In our research, we developed a new imaging method called random interference imaging which does not require beamforming as well as scanning. Surprisingly, by replacing traditional focusing and scanning with unfocused random interference we were able to achieve a higher spatial resolution.
We propose using unfocused transmission of excitation signals coded with pseudorandom sequences that yields an incident wavefront of random interference (RI). In our method, we represent the image as group of scatterers that can be identified by its spatial impulse responses. The received echo signals are the result of multiple reflections of the incident ultrasound wavefront from the scatterers. High-resolution ultrasound images are reconstructed using the a priori measurements of spatial impulse responses of individual point scatterers and sparse estimation.
The new findings show that ultrasound images can be successfully reconstructed by using an ultrasound wavefront of random interference. In the simulation study, the proposed method achieved a resolution of 0.25 mm, representing a four-fold improvement over conventional beamforming-based methods. In the real phantom experiment, we demonstrated that the proposed method can successfully reconstruct ultrasound images of nylon wires as small as 0.08-mm in diameter using a tissue-mimicking phantom.
광주과학기술원 이흥노 교수님 연구팀은 무작위 파장 간섭을 이용한 고해상도 초음파 이미징 방법을 새로 개발했다. 개발된 방법을 이용해 직경이 0.08 mm인 나일론 와이어 이미지를 고해상도로 촬영했다.
진단 초음파 시스템은 병원에서 환자의 내부 장기 이미지를 생성하기 위해 사용된다. 초음파는 펄스 에코 이미징 방식이다. 초음파 장치에서 나온 파동은 인체로 전달되며, 인체의 조직에서 부분적으로 반사된다. 반사된 파동을 측정하여 디지털 신호로 저장한다. 저장된 디지털 신호를 이용하여 초음파 이미지는 생성된다.
MRI와 CT 같은 다른 진단 방법에 비해 초음파는 가장 저렴한 이미징 방식이지만 공간 분해능이 낮은 문제점이 있다. 우리의 목표는 초음파 시스템의 공간 분해능을 향상시키는 것이다.
초음파 연구의 초기부터, 연구자들은 빔포밍 방법을 광범위하게 사용해 왔다. 빔포밍은 초음파를 좁은 빔에 집중시키는 것을 일컫는 말이다. 집중된 빔으로 관심 부위를 스캔하면 간, 심장, 신장 등 내부 장기의 이미지를 얻을 수 있다. 기존의 방식과 달리, 우리의 연구에서는 스캐닝뿐만 아니라 빔포밍을 필요로 하지 않는 랜덤 간섭 영상이라고 불리는 새로운 영상 방법을 개발했다. 놀랍게도, 기존의 빔포밍, 스캐닝 방식 대신에 집중되지 않은 무작위 간섭 방식을 사용하여 우리는 더 높은 공간 분해능을 달성할 수 있었다.
우리는 무작위 간섭(RI)을 발생시키는 집중되지않는 신호 투과 방식 사용을 제안했다. 우리의 방법에서, 우리는 초음파 이미지를 공간 임펄스 반응으로 식별 가능한 스캐터들로 나타냈다. 수신된 에코 신호는 스캐터들로부터 입사 초음파 전면을 여러 번 반사한 결과다. 고해상도 초음파 영상은 개별 스캐터들과 희박한 추정의 공간 임펄스 반응의 사전 측정을 사용하여 재구성된다.
본 연구는 무작위 간섭을 이용하여 초음파 영상이 성공적으로 재구성될 수 있다는 것을 보여준다. 시뮬레이션 연구에서 제안된 방법은 기존의 빔포밍 기반 방법에 비해 4배 향상된 0.25mm의 해상도를 달성했다. 실제 팬텀 실험을 통해서 제안된 방법이 직경 0.08mm의 나일론 와이어의 초음파 이미지를 성공적으로 재구성할 수 있음을 입증했다.