The Ultrasound Cardiac Supercycle - for high temporal and spatial resolution

Abstract

Hjerteultralyd er en ikke-invasiv medisinsk avbildningsmetode som gir informasjon om hjertets struktur og funksjonsevne. Det er derav en mye brukt metode for å undersøke og oppdage hjerteog karsykdommer. Ettersom slike sykdommer utgjør en av de største dødsårsakene over hele verden er økt ytelse og anvendelighet av hjerteultralyd fordelaktig. De fysiske prinsippene som danner grunnlaget for ultralydopptak gjør at en ofte må velge mellom høy romlig oppløsning og høy tidsoppløsning. Dette utgjør en begrensning for anvendbarheten av hjerteultralyd . Denne masteroppgaven ønsker å konstruere et ultralydopptak av en fullstendig hjertesykel, en Supersykel, der både høy bildekvalitet og høy bildefrekvens er ivaretatt. Videre er det gjort undersøkelser på innflytelsen av samplingsfrekvensen og datagrunnlaget. En Supersykel er satt sammen av opptak fra flere påfølgende sykler. Syklene normaliseres og sammenføyes før kubisk B-splines brukes for datatilpassing til et uniformt tidsgrid. Enkel prosessering av data før konstruksjonen av Supersykelen er testet for å undersøke det videre potensialet for en høyere ytelse. Dette innebærer blant annet bildejustering for et konsekvent synsfelt. Supersykelen er testet og evaluert for både gråtonebilde (B-mode) og fargedoppler (CFI). En Supersykel på et 2D dupleks triplan ultralydopptak ble økt fra 14 Hz til 140 Hz. For B-mode opptak ble bildefrekvensen økt til ca. 650 Hz og for CFI ble det oppnådd bildefrekvenser på ca. 250 Hz. Selv om Supersykelen klarte å øke bildefrekvensen med en faktor på 10, ble det oppdaget at en avveining mellom jevne overganger og flimrende artefakter må gjøres. Ved å videre undersøke en metode for bildejustering som gir konsekvente synsfelt kan en potensielt løse dette problemet.

Cardiac ultrasound is widely used for the investigation and detection of cardiovascular diseases as it is a non-invasive medical imaging method that gives data on the structure and function of the heart. Increasing the performance and applicability of cardiac ultrasound possesses potential benefits, as cardiovascular disease represents one of the major causes of death worldwide. As the physical principles of ultrasound waves introduce a trade-off between spatial- and temporal resolution, ultrasound recordings are often limited in applicability. This thesis aims to create an ultrasound recording of a cardiac cycle, the Supercycle, having both a high spatial resolution and a high frame rate. It further studies the influence of sample rate and data foundation for high performance. The Supercycle is composed of several consecutive cycles. The cycles are normalized, joined, and further remapped to a uniform time grid by data fitting with cubic B-splines. Simple postprocessing methods, as image alignment, are analyzed for the potential of further robustness. The Supercycle is tested and evaluated on brightness mode images (B-mode) and for color flow imaging (CFI). A Supercycle of 2D duplex triplane ultrasound recordings was increased from 14 Hz to 140 Hz. Results of B-mode acquisition increased the frame rate to approximately 650 Hz and for CFI frame rates of approximately 250 Hz were obtained. As the Supercycle increased most frame rates on a scale of 10, the trade-off between smoothness of the result and flickering artifacts appeared. A further study of the alignment of frames is potentially a solution to overcome the trade-off.