Ultrasound medical imaging using 2d viscoacoustic full-waveform inversion = Medizinische Bildgebung mit Ultraschall unter Nutzung der 2d viskoakustischen Wellenfeldinversion

In dieser Arbeit führe ich eine ausführliche Literaturrecherche bezüglich der Brustbildgebung mit Ultraschall durch, wobei der Schwerpunkt auf bisherigen Anwendungen der Wellenfeldinversion (WFI) in diesem Forschungsgebiet liegt, untersuche das Potential der zweidimensionalen viskoakustischen WFI mit Hilfe von Rekonstruktionstests mit einem anatomiegetreuen numerischen Brustmodell unter optimalen Bedingungen und prüfe ob sich Datensätze, welche mit dem KIT 3D USCT II, dem ersten automatisierten Brustultraschallsystem mit einer vollständig dreidimensionalen Aufnahmegeometrie, aufgenommen wurden, mit dreidimensionaler WFI ausgewertet werden können. ... mehrDie synthetischen Tests zeigen, dass die Schallgeschwindigkeit und Dämpfung mit hoher Genauigkeit rekonstruiert werden können, auch wenn niedrige Frequenzen genutzt werden. Die Nutzung niedriger Frequenzen ist in zweierlei Hinsicht von Vorteil, da diese eine hohe Stabilität der Inversion gewährleistet und gleichzeitig den nötigen Rechenaufwand reduziert. Die Durchführbarkeitsstudie befasst sich mit mehreren Herausforderungen, welchen man sich bei der Anwendung der dreidimensionalen WFI stellen muss, wie zum Beispiel die Berücksichtigung der Abstrahl- und Empfangscharakteristik der verwendeten Ultraschallsonden und Bewegungen der Brust während der Messungen. Es sind viel zu wenige Empfänger installiert, weshalb der räumliche Alias-Effekt Artefakte in den Gradienten hervorruft und nur eine sehr geringe Auflösung erreicht werden kann. Ich komme zu dem Ergebnis, dass eine Anwendung der dreidimensionalen WFI auf Daten des KIT 3D USCT II den extrem hohen Rechenaufwand nicht wert ist, da bei einer so stark begrenzten Auflösung das Potenzial der WFI nicht ausgeschöpft werden würde.

In this work I conduct a comprehensive literature research on ultrasound breast imaging with a focus on former applications of full-waveform inversion (FWI) in this field of research, investigate the potential of two-dimensional viscoacoustic FWI by performing reconstruction tests with an anatomically realistic numerical breast model under optimal conditions and examine the feasibility of applying three-dimensional FWI on data acquired with the KIT 3D USCT II, the first automated breast ultrasound data acquisition system with a full three-dimensional acquisition geometry. ... mehrThe synthetic tests demonstrate a high achievable resolution of speed of sound and attenuation reconstructions even if low frequencies are used which have the dual benefit of yielding a high robustness of the inversion as well as reducing the computational effort. The feasibility study addresses several challenges related to the application of three-dimensional FWI on clinical ultrasound data, e.g. the consideration of transducer characteristics and movements of the breast during the data acquisition. Due to a massive lack of implemented receivers, artifacts caused by spatial aliasing occur in the gradients and the achievable resolution is drastically reduced. Since the achievable resolution is very low, I conclude that the application of three-dimensional FWI on data acquired with the KIT 3D USCT II is not worth the required extremely high computational effort.