18
MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

MEDT8007

Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse

Hans Torp

Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk

Hans TorpNTNU, Norway

Page 2: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Signal processing Signal processing for CW Dopplerfor CW Doppler

fofrequency

fo+fd0 frequencyfd0

Hans TorpNTNU, Norway

Matlab: cwdoppler.m

Page 3: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Blood velocity calculated from Blood velocity calculated from measured Doppler-shiftmeasured Doppler-shift

fd = 2 fo v cos() / c

v = c/2fo/cos() fd

fd : Dopplershiftfo : Transmitted frequencyv : blood velocity

: beam angle c : speed of sound (1540 m/s )Hans Torp

NTNU, Norway

Page 4: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Continous Wave DopplerContinous Wave Doppler

ø

Single transducerPW

Double transducerCW

ø

transmit

recieve

Velocity profile, v

Artery

Range cell

Observation region in overlap of beams

Signal from all scattererswithin the ultrasound beam

Pulsed Wave DopplerPulsed Wave Doppler

Signal from a limited sample volume

ø

Single transducerPW

Double transducerCW

ø

transmit

recieve

Velocity profile, v

Artery

Range cell

Observation region in overlap of beams

Hans TorpNTNU, Norway

Matlab: pwdoppler.m

Page 5: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

a)

b)

10-08/12pt

Hans TorpNTNU, Norway

Signal from a large number of red blood cellsSignal from a large number of red blood cellsadd up to a Gaussian random processadd up to a Gaussian random process

Page 6: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

G ()e

10-11/12pt

Hans TorpNTNU, Norway

Power spectrum of the Doppler signal Power spectrum of the Doppler signal represents the distribution of velocitiesrepresents the distribution of velocities

Page 7: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Definition of Complex Gaussian process Definition of Complex Gaussian process

0)()(:

average)(ensemblevalueexpectedmeans

)(*)(zmatrixCovariance

21 vector signal

)(

,

H

1 1H

nzkzthatNote

nzkzz

),...,z(N)),z(z(z

ep

nk

N

zzz

Page 8: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Stationary Complex Gaussian processStationary Complex Gaussian process

;)()(m

miemRGPower spectrum

Autocorrelation function ,......2,1,0)(*)()( mmnznzmR

mieGdmR )(2

1)(

Autocorrelation function = coeficients in Fourier series of G

Page 9: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Power spectrum estimatePower spectrum estimateStatistical propertiesStatistical properties

)()(2

1)(

2

GWdGN

m

miN emwW )()(

Expected value:

m

miNN emzmwZ )()()(

2)(

1)( NN Z

NG Power spectrum estimate:

Page 10: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Power spectrum estimatePower spectrum estimateStatistical propertiesStatistical properties

N

G

GWWdN

GG

N

NN

/1 when 0

0 when )(

)()()(2

1)(),(cov

2

2

*

Covariance:

m

miNN emzmwZ )()()(

2)(

1)( NN Z

NG Power spectrum estimate:

Page 11: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Computer simulation of Computer simulation of Complex Gaussian processComplex Gaussian process

1.Complex Gaussian white noise Zn(0),..,Zn(N-1)2. Shape with requested power spectrum: Z(k)=G(2k/N) Zn(k); k=0,..,N-13. Inverse FFT: z(n) = ifft(Z)

< |Z(w)|^2 >= G(w)|Zn(w)|^2 = G(w); for w= 2k/N

)()(2

1)(

2

GWdGZPower spectrum for z(n):(smoothed version of G(w) )

1

0

)(N

m

mieW Autocorrelation function: )()()( mRmTrimRz

Page 12: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

• The power spectrum of the simulated signal is The power spectrum of the simulated signal is smoothed with a window given by the number of smoothed with a window given by the number of samples Nsamples N

• The autocorrelation function of the simulated signal The autocorrelation function of the simulated signal Rz(m)= 0 for m>|N| Rz(m)= 0 for m>|N|

Computer simulation of Computer simulation of Complex Gaussian processComplex Gaussian process

Matlab: CsignalDemo.m

Page 13: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Properties of power spectrum estimateProperties of power spectrum estimate

• Fractional variance = 1 independent of the window form and size

• GN(ω1) and GN(ω2) are uncorrelated when |ω1-ω2| > 1/N

• Increasing window length N gives better frequency resolution, but no decrease in variance

• Smooth window functions give lower side lobe level, but wider main lobe than the rectangular window

• Decrease in variance can be obtained by averaging spectral estimates from different data segments.

Page 14: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Doppler spektrumDoppler spektrum

frequ

ency

time

spec

tral

am

plit

ude

Hans TorpNTNU, Norway

Page 15: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Thermal noise

Signal from moving scattererSignal from moving scattererPulse no1 2 .. … N

2D Fouriertransform

Hans TorpNTNU, Norway

Doppler shift frequency [kHz]

Ult

raso

und

puls

e fr

eque

ncy

[MH

z]

Doppler shift frequency [kHz]

Pow

erSignal from one range

Fas

t ti

me

Slow time

Blood

Clutter

Page 16: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

RF versus basebandRF versus baseband

Doppler shift frequency [kHz]

Blood signalClutter

Ultrasound frequency [MHz]

Doppler frequency [kHz]

Remove negative ultrasoundFrequencies by Hilbert transformor complex demodulation

• Skewed clutter filter (signal adaptive Skewed clutter filter (signal adaptive filter) can be implemented with 1D filter) can be implemented with 1D filteringfiltering

• Axial sampling frequency Axial sampling frequency reduced by a factor > 4reduced by a factor > 4

Page 17: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

2D Spectrum Subclavian artery2D Spectrum Subclavian artery

Page 18: MEDT8007 Simulering av ultralydsignal fra spredere i bevegelse Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

Summary spectral DopplerSummary spectral Doppler

• Complex demodulation give direction information of blood Complex demodulation give direction information of blood flowflow

• Smooth window function removes sidelobes from clutter-Smooth window function removes sidelobes from clutter-signalsignal

• PW Doppler suffers from aliasing in many cardiac PW Doppler suffers from aliasing in many cardiac applicationsapplications

• SNR increases by the square of pulse length in PW Doppler SNR increases by the square of pulse length in PW Doppler