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Cross-Sectional Measurements of Ultrasonic Wavefront Distortion Caused by Model Random Media

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A curved array of receivers and a hemispheric emitter were used to measure amplitude and phase distortion caused by propagation through random medium phantoms at frequencies of 0.7 MHz, 1.2 MHz, and 2.2 MHz. The receiver array contained twelve modules each with sixteen elements 0.68 mm wide and 0.88 mm high spaced 0.10 mm apart and resulted in 192 measurements over the cap of a sphere at polar angle increments of 0.176° spanning a total angle of 33.8°. Azimuthal rotation of the array in 2.04° increments produced measurements along 88 longitudinal segments. Field measurements were made for propagation through a homogeneous water path to characterize receiver element sensitivity variations and geometric positioning errors as well as inherent nonuniformities in the emitted field. These measurements were used as a reference for comparison of data collected when each of two phantoms, one comprised of graphite particles in a gel and the other containing 1 cm diameter agar spheres in gel, were introduced between the receiving array and the emitter to distort the ultrasonic beam. In all the measurements, phase was unwrapped and a second-degree polynominal fit was subtracted to obtain the phase fluctuations. Phase fluctuation power spectra were then calculated by averaging the square magnitudes of Fourier transforms which were taken over intervals that correspond to modules comprising the receiver array. The phantom containing the agar spheres was found to introduce significantly more distortion in the ultrasonic beam than that produced by the graphite-gel random medium mat was found to produce a distortion only slightly above the system noise. The data collection and processing steps of this investigation may now be applied to characterize ultrasonic wavefront distortion produced by other model media and tissues.

Zusammenfassung

Unter Benutzung einer gekrümmten Empfängergruppe und eines halbkugelförmigen Senders wurde die Amplituden- und Phasenverzerrung bei Ausbreitung durch regellose Modellmedien bei Frequenzen von 0,7 MHz, 1,2 MHz und 2,2 MHz gemessen. Die Empfängergruppe bestand aus 12 Moduln, von denen jedes sechzehn 0,68 mm breite und 0,88 mm hohe Elemente in einem Abstand von jeweils 0,1 mm enthielt und lieferte 192 Messungen über einer Kugelkalotte, die einen Polarwinkelbereich von 33,8° mit Inkrementen von 0,176° überdeckte. Eine azimuthale Verdrehung der Gruppe in 2,04°-Schritten lieferte Messungen längs 88 longitudinaler Segmente. Das Feld wurde zunächst für die Ausbreitung durch eine homogene Wasserstrecke ausgemessen, um Unterschiede der Elementempfindlichkeiten, Geometriefehler und Ungleichförmigkeiten des erzeugten Feldes zu ermitteln. Diese Messungen wurden als Referenz zum Vergleich mit Daten von zwei Phantomen benutzt, die zur Verzerrung des Ultraschallfelds zwischen Empfängergruppe und Sender eingefügt wurden. Eines dieser Phantome bestand aus Graphitteilchen in einem Gel, während das andere Agarkugeln von 1 cm Durchmesser im Gel enthielt. Bei all diesen Messungen wurde die Phase bestimmt; zur Ermittlung der Phasenschwankungen wurde eine Polynomanpassung zweiten Grades vorgenommen. Zur Berechnung der Leistungsspektra der Phasenschwankungen wurden die Betragsquadrate der Fouriertransformierten über Intervalle gemittelt, die den Moduln der Empfängergruppe entsprechen. Es zeigte sich, daß das aus Agarkugeln bestehende Phantom die Ultraschallstrahlen deutlich stärker verzerrte als das regellose Graphit-Gel-Medium; die von dem letzteren erzeugte Verzerrung lag nur geringfügig über dem Systemrauschen. Das Meß- und Verarbeitungssystem dieser Untersuchung kann nunmehr dazu verwendet werden, die Verzerrung von Ultraschall-Wellenfronten durch andere Modellmedien und durch Gewebe zu kennzeichnen.

Sommaire

On a utilisé un réseau courbé de récepteurs et un émetteur hémisphérique pour mesurer les distorsions d'amplitude et de phase créées par propagation à travers des modèles de milieux aléatoires à des fréquences de 0,7 MHz, 1,2 MHz et 2,2 MHz. Le réseau de récepteurs comprenait douze modules contenant chacun seize éléments de 0,68 mm de large et 0,88 mm de haut, espacés de 0,1 mm; cela permettait un total de cent quatre-vingtdouze mesures à des distances angulaires de 0,176° pour une ouverture totale de 33,8°. La rotation en azimut du réseau par pas de 2,04° permettait la mesure de long de quatre-vingt-huit segments longitudinaux. On procédait d'abord à des mesures de propagation le long d'un trajet homogène d'eau pour déterminer les variations de sensibilité des éléments du récepteur et les erreurs de positionnement aussi bien que les irrégularités du champ émis. Ces mesures servaient de référence pour la comparaison avec les données recueillies lorsque l'on introduisait des inhomogénéités sur le trajet du faisceau d'ultrasons. Deux modèles ont été utilisés: l'un constitué de particules de graphite dans un gel, et l'autre des sphères d'agar de 1 cm de diamètre dans un gel. Dans toutes les mesures les fluctuations de la phase étaient déterminées par soustraction entre la phase déroulée et un polynôme du second degré d'ajustement. Les spectres de puissance des fluctuations de phase s'obtenaient alors en moyennant les carrés des transformées de Fourier évaluées sur des intervalles correspondent aux modules constituant le réseau de récepteurs. Les résultats montrent que le modèle à sphères d'agar produit une distorsion du faisceau ultrasonore significativement plus élevée que le mélange graphite-gel qui ne produit qu' une distorsion légèrement supérieure au bruit du système. La méthode de collecte et de traitement des données développée dans cette étude peut maintenant être appliquée à l'analyse de la distorsion d'ondes ultrasonores créée par d'autres modèles de milieux et de tissus.
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Document Type: Research Article

Publication date: January 1, 1994

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