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Título: Bayesian-based beamformer with wiener post-filter for adaptative processing of ultrasond image using coherent plane wave compounding
Título(s) alternativo(s): Bayesian-vased Beamformer with Wiener post-filter for adaptive processing of ultrasound image using coherent plane wave compounding
Autor(es): Zimbico, Acácio José
Orientador(es): Schneider, Fábio Kurt
Palavras-chave: Ultrassom - Qualidade da imagem
Processamento de sinal adaptativo
Processamento de imagens - Modelos matemáticos
Teoria bayesiana de decisão estatística
Filtros adaptativos
Speckle
Métodos de simulação
Engenharia elétrica
Ultrasonics - Image quality
Signal processing, Adaptive
Image processing - Mathematics models
Bayesian statistical decision theory
Adaptative filters
Simulation method
Electric engineering
Data do documento: 7-Dez-2018
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: ZIMBICO, Acácio José. Bayesian-based beamformer with wiener post-filter for adaptative processing of ultrasond image using coherent plane wave compounding. 2018. 108 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.
Resumo: Os escaneres de Ultrassom (US) convencionais ainda implementam a técnica Delay and Sum (DAS) devido à fácil implementação e baixo tempo de processamento, mas oferecem imagem de baixa resolução e contraste. As técnicas adaptativas permitem a obtenção de imagem de alta resolução e Contraste (CR) em troca de implementação complexa e custo de processamento elevado. Neste trabalho, sugere-se o método Wiener Post-filter (WPF) combinado com uma a técnica Minimum Variance (MV) com abordagem Bayesiana (i.e., MV-BY-WPF), que resulta em uma combinação do método proposto MV-BY com WPF para beamforming adaptativo de US usando a técnica Coherent Plane Wave Compounding (CPWC). A técnica CPWC é afetada por baixa SNR devido à ausência de foco na emissão de pulso. Diferentes beamformers adaptativos tais como, os baseados em Coherence Factor (CF) ou WPF foram sugeridos para superar tal limitação, entretanto limitações ainda persistem. Neste estudo, introduziu-se o MV-BY que mostra vantagens sutis sobre o MV através da aplicação de um pós-filtro baseado na abordagem Bayesiana que melhora o desempenho do MV. Combinou-se o método proposto, MV-BY com o WPF para formar o MV-BY-WPF, que supera MV-WPF. De acordo com os resultados, MV-BY-WPF oferece melhor CR enquanto retém o brilho de imagem na resolução comparada à oferecida por MV-WPF. Usando os métodos propostos, foram introduzidas melhorias em imagem usando CPWC com custo computacional comparável à do MV. A avaliação de desempenho das técnicas inclui a Resolução espacial, CR e as estatísticas de speckle. Em particular à metodologia proposta, verificou-se que com a excitação de cerca de 5 emissões, foi possível reconstruir uma imagem com qualidade comparável àquela obtida com um total de 75 emissões com o DAS. A reconstrução usando dados de simulação, Phantom e humanos in-vivo disponíveis na plataforma de US revelam a eficácia do beamformer proposto em termos de habilidades de supressão de ruído presente nos dados coletados. Por exemplo, usando dados humanos in-vivo, quando o DAS é comparado aos beamformers MV-BY/MV-BY-WPF, valores percentuais (%) de 9,34/17,65 e 16,18/31,79 para CR e a sua razão foram respectivamente obtidos. Além disso, as respostas produzidas por MV-BY-WPF mostram uma melhor preservação do speckle quando comparado com MV-WPF. Isso significa que a metodologia proposta pode melhorar o sistema de imagem sendo assim, sugerida para aplicações reais.
Abstract: Conventional Ultrasound (US) scanners still implement the non-adaptive Delay and Sum (DAS) technique due to easy implementation and low processing time, but it provides low resolution and image contrast. Adaptive techniques allow obtaining high resolution and high contrast at the cost of complex implementation and high processing time. In this work we suggest the implementation of a Bayesian Minimum Variance (MV-BY) beamformer combined with the Wiener post-filter (WPF) to form the MV-BY-WPF beamformer. The MV-BY-WPF results in a combination of the proposed Bayesian-based Minimum Variance (MV-BY) beamformer with the WPF for adaptive beamforming of US image using Coherent Plane Wave Compounding (CPWC). The CPWC imaging has low Signal-to-noise Ratio (SNR) due to the lack of focusing on the pulse emission. Different adaptive methods such Coherence Factor (CF) or WPF beamformer have been suggested to overcome such limitation, however they still present limitations. In this study, we have introduced the MV-BY beamformer which takes subtle advantages over the Minimum Variance (MV) beamformer by applying a Bayesian-based post-filter which improves the performance of the MV. The proposed MV-BY is combined with the WPF to form the MV-BY-WPF which outperforms the MV-WPF. The MV-BY-WPF provides better contrast while retaining the imaging brightness at comparable spatial resolution when compared to the beamformers such as the traditional MV-WPF. Using our proposed methods, improvements have been introduced in CPWC imaging with comparable computational complexity with the MV beamformer. The performance evaluation of the proposed techniques includes spatial resolution, contrast, and speckle statistics. Particular to our proposed methodology, we have found that approximately 5 emissions using available data for research in US imaging, we have reconstructed an image with quality comparable to that obtained when using a total amount of 75 emissions with DAS beamformer. The reconstructions using simulation, phantom, and in-vivo dataset reveal the effectiveness of our proposed beamformer in terms of array noise suppression abilities. For example, using human in-vivo data, when DAS is compared to the MV-BY/MV-BY-WPF values in percentage (%) of 9.34/17.65 and 16.18/31.79 for Contrast Ratio (CR) and Contrast-to-noise Ratio (CNR), were obtained. Additionally, the MV-BY-WPF better retains the speckle when compared to MV-WPF. This means that our proposed methodology can improve the imaging system, and is suggested for real applications.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3818
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