Медицинская Техника / Медицинская техника №3, 2019 / с. 48-52

Алгоритмы фильтрации при медицинской ультразвуковой визуализации в режиме цветового доплеровского картирования кровотока

Д.В. Леонов, Н.С. Кульберг, В.А. Фин, В.А. Подмосковная, Л.С. Иванова, А.С. Шипаева, А.В. Владзимирский, С.П. Морозов

Аннотация

Фильтрация сигнала кровотока играет очень важную роль в режиме цветового доплеровского картирования. На этапе фильтрации происходит подавление сигналов от малоподвижных тканей и стенок сосудов. Эти сигналы на 40...60 дБ превосходят сигнал кровотока. Их полное подавление в режиме картирования кровотока труднодостижимо, что связано с плохим отношением сигнал/шум, малой длиной доплеровского ансамбля и высокими требованиями к быстродействию. В статье дается общая модель доплеровского сигнала, рассматриваются фильтры на основе полиномиальной и адаптивной регрессий, эмпирической модовой декомпозиции, а также возможности комбинированного подхода к фильтрации кровотока.

Вернуться к содержанию

Сведения об авторах

Денис Владимирович Леонов, научный сотрудник,

Николай Сергеевич Кульберг, канд. физ.-мат. наук, руководитель отдела разработки средств медицинской визуализации, ГБУЗ «Научно-практический центр медицинской радиологии ДЗМ»,

Виктор Александрович Фин, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник,

Валерия Андреевна Подмосковная, студентка,

Любовь Сергеевна Иванова, студентка,

Алена Сергеевна Шипаева, студентка, ФГБОУ ВО «НИУ «Московский энергетический институт»,

Антон Вячеславович Владзимирский, д-р мед. наук, зам. директора,

Сергей Павлович Морозов, д-р мед. наук, директор, ГБУЗ «Научно-практический центр медицинской радиологии ДЗМ», г. Москва,

e-mail: d.leonov@npcmr.ru

Список литературы

1. Song P., Manduca A., Trzasko J.D., Chen S. Ultrasound small vessel imaging with block-wise adaptive local clutter filtering / / IEEE Transactions on Medical Imaging. 2017. Vol. 36. № 1. PP. 251-262.

2. Li Y.L., Hyun D., Abou-Elkacem L., Willmann J.K., Dahl J.J. Visualization of Small-Diameter Vessels by Reduction of Incoherent Reverberation with Coherent Flow Power Doppler // IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control. 2016. Vol. 63. № 11. PP. 1878-1889.

3. Yu A.C.H., Johnston K.W., Cobbold R.S.C. Frequency-based signal processing for ultrasound color flow imaging // Canadian Acoustics. 2007. Vol. 35. № 2. PP. 11-23.

4. Shen Z., Feng N., Shen Y., Lee C.H. An Improved Parametric Relaxation Approach to Blood Flow Signal Estimation with Single-Ensemble in Color Flow Imaging // Journal of Med. & Biomed. Engineering. 2013. Vol. 33. № 3. PP. 309-318.

5. Torp H. Clutter Rejection Filters in Color Flow Imaging: A Theoretical Approach // IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1997. Vol. 44. № 2. PP. 417-323.

6. Yu A.C.H., Lovstakken L. Eigen-Based Clutter Filter Design for Ultrasound Color Flow Imaging: A Review // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2010. № 5. P. 1096.

7. Yu A.C.H., Cobbold R.S.C. Single-Ensemble-Based Eigen- Processing Methods for Color Flow Imaging – Part I. The Hankel-SVD Filter // IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2008. № 3. PP. 559-572.

8. Yoo Y.M., Managuli R., Kim Y. Adaptive Clutter Filtering for Ultrasound Color Flow Imaging // Ultrasound Med. Biol. 2003. Vol. 29. № 9. PP. 1311-1320.

9. Wang P.D., Shen Y., Feng N.Z. A novel clutter rejection scheme in color flow imaging // Ultrasonics. 2006. № 44. Suppl. 1. PP. e303-e305.

10. Bjжrum S., Torp H. Statistical evaluation of clutter filters in color flow imaging // Ultrasonics. 2000. № 38. PP. 376-380.

11. Kargel C., Hцbenreich G., Trummer B., Insana M.F. Adaptive Clutter Rejection Filtering in Ultrasonic Strain-Flow Imaging // IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2003. Vol. 50. № 7. PP. 824-835.

12. Chee A.J., Alfred C.H. Receiver Operating Characteristic Analysis of Eigen-Based Clutter Filters for Ultrasound Color Flow Imaging // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2017. Vol. 65. № 3. PP. 390-399.

13. Chee A.J., Yiu B.Y., Alfred C.H. A GPU-Parallelized Eigen- Based Clutter Filter Framework for Ultrasound Color Flow Imaging // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2017. Vol. 64. № 1. PP. 150-163.

14. Lοvstakken L. Signal Processing in Diagnostic Ultrasound: Algorithms for Real-time Estimation and Visualization of Blood Flow Velocity / Doctoral Thesis. Norwegian University of Science and Technology, 2007.

15. Shen Z., Feng N., Shen Y. A forward-backward subsequence smoothing eigen-based approach to designing clutter rejection filters in color flow imaging // IEEE Proceedings. 2014. Vol. 43. PP. 535-538.

16. Park G., Kim Y., Shim H., Koh H.W., Lim H., Lee J.J., Yeo S., Song T.K., Yoo Y. New adaptive clutter rejection based on spectral decomposition and tissue acceleration for ultrasound color Doppler imaging / IEEE Ultrason. Symp. 2014. PP. 1484-1487.

17. Park G., Yeo S., Lee J.J., Yoon C., Koh H., Lim H., Kim Y., Shim H., Yoo Y. New adaptive clutter rejection based on spectral analysis for ultrasound color Doppler imaging: Phantom and in vivo abdominal study // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2014. Vol. 61. № 1. PP. 55-63.

18. Kadi A., Loupas T. On the performance of Regression and step- initialized IIR Clutter filters for color Doppler systems in diagnosing medical ultrasound // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. 1995. Vol. 42. № 5. PP. 927-937.

19. Khan I.A., Hamid E., Nakai T. Systolic Phase Detection from Pulsed Doppler Ultrasound Signal Using EMD-DHT Based Approach // Int. Journal of Signal Proc., Image Proc. and Pattern Recognition. 2014. Vol. 7. № 5. PР. 207-216.

20. Lo M.T., Hu K., Peng C.K., Novak V. Multimodal Pressure Flow Analysis: Application of Hilbert Huang Transform in Cerebral Blood Flow Regulation // EURASIP J. Adv. Signal Process. 2008. Article id: 785243.

21. Бороноев B.B., Омноков В.Д. Эмпирическая модовая декомпозиция пульсовых сигналов. Зондирование земных покровов радарами и радиометрами с синтезированной апертурой / МНТК, 2013, г. Улан-Удэ / http://ipms.bscnet.ru/ conferenc/RS2013/ru/docs/papers/a04.pdf.

22. Давыдов А.В. Преобразование Гильберта-Хуанга / http:// geoin.org/hht (дата обращения: 01.06.2018).

23. Shen Z., Lee C.H. A LASSO based ensemble empirical mode decomposition approach to designing adaptive clutter suppression filters / Proc. in IEEE. Acoustics Speech and Signal Processing (ICASSP). 2012. PP. 757-760.

24. Gao L., Zhang Y., Lin W., Li H., Zhou Y., Zhang K., Li Z., Zhang J. A novel quadrature clutter rejection approach based on the multivariate empirical mode decomposition for bidirectional Doppler ultrasound signals // Biomedical Signal Processing and Control. 2014. Vol. 13. PP. 31-40.

25. Shen Z., Feng N., Shen Y., Lee C.H. A ridge ensemble empirical mode decomposition approach to clutter rejection for ultrasound color flow imaging // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2013. Vol. 60. № 6. PP. 1477-1487.

26. Torres S. Ground Clutter Cancelling with a Regression Filter / National Severe Storms Lab. Interim Report. Oklahoma. Oct. 1998.

27. Zhou X., Zhang C., Liu D.C. Adaptive clutter filter in 2D color flow imaging based on in vivo I/Q signal // Biomedical Materials and Engineering. 2014. Vol. 24. № 1. PP. 307-313.

28. Gerbands J.J. On the relationships between SVD, KLT and PCA // Pattern Recognition. 1981. № 14. PP. 375-381.

29. Zobly A.M.S., Kadah Y.M. A new clutter rejection technique for Doppler ultrasound signal based on principal and independent component analyses / Cairo International Biomedical Engineering Conference (CIBEC). 2012. PP. 56-59.

30. Baranger J., Arnal B., Perren F., Baud O., Tanter M., Demenй C. Adaptive spatiotemporal SVD clutter filtering for Ultrafast Doppler Imaging using similarity of spatial singular vectors // IEEE Trans. Med. Imaging. 2018. № 37. PP. 1574-1586.

31. Осипов Л.В., Кульберг Н.С., Леонов Д.В., Морозов С.П. Трехмерное ультразвуковое исследование: технологии, тенденции развития // Медицинская техника. 2018. № 3. С. 39-43.