Tilo Gärtner

Ultraschallspektroskopie mit fokussierenden Systemen zur quantitativen Bestimmung von akustischen Parametern

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 18.05.2001

Abstract
In dieser Arbeit werden die HF-Rückstreudaten von B-Bild-Geräten untersucht um die Diagnose von Krebsgewebe zu verbessern. Das Weichgewebe einiger Organe kann als zufällige Verteilung akustischer Streuer betrachtet werden. Akustische Parameter wie Dämpfung, Rückstreuung und Streuerverteilung können als Mittelwert für ROI innerhalb dieser Organe bestimmt werden. In einigen Fällen sind durch morphologische Änderungen verursachte Änderungen der akustischen Parameter nicht oder nur schwer im B-Bild zu erkennen, lassen sich jedoch durch eine Spektralanalyse nachweisen.
Es wurde ein Verfahren zur Korrektur der Systemeigenschaften und zur Bestimmung gewebespezifischer akustischer Parameter mit Hilfe der Ultraschall-Spektroskopie entwickelt. Die notwendigen Beugungskorrekturen erfolgten mit Hilfe von gewebeähnlichen Phantomen. Nach der Beugungskorrektur wird die Dämpfung als Anstieg der Spektren über lineare Regression bestimmt. Der relative Rückstreukoeffizient ergibt sich aus den dämpfungskorrigierten Rückstreudaten relativ zu einem Referenzspektrum. Durch die Anwendung der cepstralen Glättung während der Spektralanalyse können die Spektren weitgehend unabhängig von störenden Struktureinflüssen berechnet werden.
Verschiedene Test wurden in Phantomen durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Dämpfung innerhalb genügend großer ROI unabhängig vom B-Bild-Gerät, dem Wandler und der Vorlaufstrecke bestimmt werden kann. Im Fall kleiner ROI ist der relative Rückstreukoeffizient zuverlässiger, hängt jedoch von der Vorlaufstrecke ab. Deshalb wird eine Kombination beider Parameter zur Gewebecharakterisierung vorgeschlagen. Weiterhin wird eine Methode demonstriert, den relativen Rückstreukoeffizienten frequenzabhängig bildlich darzustellen.
Das Verfahren wurde ebenfalls auf in vivo Messungen an humanen Hoden angewandt. Es werden zwei Verfahren präsentiert, die auf Grundlage akustischer Parameter zwischen normalem und Krebsgewebe unterscheiden.

In this work the backscattered rf data of B-mode systems are investigated to improve the ultrasonic diagnosis of cancerous tissue. The soft tissue of some organs can be assumed to be a random distribution of acoustic scatterers. Acoustic parameters like attenuation, backscattering and scatterer distribution may be estimated as a mean value for regions of interest within these organs. In some cases changes of the acoustical parameters due to morphological alterations in the tissue are invisible or not clearly to be seen in B-mode images, whereas it can be shown by spectral analysis.
A procedure was developed to correct for system specific effects and to determine tissue specific acoustical parameters in terms of ultrasound spectroscopy. Tissue mimicking reference phantoms were used to build up the essential diffraction correction functions. After diffraction correction the attenuation is estimated from the slope of the spectra by linear regression. The relative backscatter coefficient is calculated from the attenuation corrected backscattered data relative to a reference spectrum. By employing the method of cepstral smoothing during spectral analysis the spectra can be determined mainly independently of disturbing structural influences.
Various tests have been carried out in phantoms. The estimation of attenuation for sufficient large ROI's is shown to be independent of the used B-mode device and transducer combination, and the intermediate medium, respectively. In the case of small regions the relative backscatter coefficient is more reliable, but depends on the intermediate layer. For this reason a combination of both parameters is proposed for tissue characterization. Furthermore, a method is demonstrated to construct images of the relative backscatter coefficient for separate frequencies.
The procedure has also been applied to in vivo measurements of human testis. Two methods are presented to differ between normal and cancerous tissue by means of acoustical parameters.

Keywords:
diagnostischer Ultraschall, Spektroskopie, Dämpfung, relativer Rückstreukoeffizient, Phantome, in vivo, humaner Hoden

diagnostic ultrasound, spectroscopy, attenuation, relative backscatter coefficient, phantoms, in vivo, human testis

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung (1-5)
2 Wechselwirkung von Ultraschall und biologischem Gewebe (6-14)
3 Ultraschallspektroskopie mit Puls-Echo-Systemen (15-22)
4 Messaufbau (23-26)
5 Ein Verfahren zur Bestimmung der frequenzabhängigen Dämpfung und des frequenzabhängigen relativen Rückstreukoeffizienten (27-45)
6 Korrektur der systemspezifischen Signalübertragungseigenschaften bei der Bestimmung akustischer Parameter (46-58)
7 Ergebnisse (59-93)
8 Zusammenfassung (94-95)
Literaturverzeichnis (I-VI)
Verzeichnis häufig verwendeter Formelzeichen und Abkürzungen (VII-VIII)