Synthetic aperture techniques for ultrasonic image generation

El desarrollo de sistemas ecográficos de alta calidad y con buenas prestaciones pasa por el empleo de transductores ultrasónicos basados en arrays. El uso de estos dispositivos lleva asociado un elevado coste, tanto en tamaño y número de recursos hardware requeridos, como en el tiempo necesario para la adquisición y el procesamiento de los datos. Esto dificulta la elaboración de sistemas compactos, de bajo consumo y que puedan operar en tiempo real. En este sentido, las técnicas de apertura sintética han demostrado ser un método eficaz para alcanzar dichos objetivos, minimizando el tamaño de los sistemas y acelerando la captura de las imágenes. Sin embargo, las soluciones aparecidas hasta el momento han resultado ser poco eficientes, no siendo capaces de resolver de forma conjunta los requerimientos de velocidad, reducción hardware y alta calidad de imagen que exigen este tipo de sistemas. En esta tesis se aborda el diseño de posibles técnicas de apertura sintética para el trabajo con array lineales y matriciales, poniendo especial énfasis en la obtención de soluciones que permitan reducir al máximo la complejidad de los sistemas, al tiempo que se consiguen unos elevados niveles de calidad y una adecuada tasa de imagen. En total se presentan cinco nuevas técnicas, tres para el caso lineal y dos más para el bidimensional, así como algunas otras de menor entidad, ofreciendo así al diseñador un amplio abanico de posibilidades a usar en función de la reducción hardware necesaria en cada caso. Así pues, se proponen soluciones de mínima redundancia tanto para arrays lineales como bidimensionales, las cuales permiten obtener una respuesta igual a la de un sistema convencional pleno pero empleando el mínimo número posible de canales de entrada-salida. También se proponen otras técnicas para aquellos casos en los que las exigencias del diseño no son tan severas, las cuales consiguen una mayor calidad de imagen a costa de un mayor número y tamaño de los recursos. En todos los casos se analizan una serie de parámetros comunes a todas ellas, como son el patrón de radiación, la apertura virtual sintetizada, la tasa de imagen del sistema o la figura de ruido conseguida con cada una, pudiendo así establecer una comparación directa entre todas ellas. Las soluciones propuestas también se han validado experimentalmente, obteniendo en todos los casos unos resultados que encajan perfectamente con las simulaciones previas, ratificando de ese modo el desarrollo teórico realizado y alcanzando los objetivos planteados inicialmente en la tesis.The development of high quality ultrasound imaging systems with good performance requires the use of ultrasonic transducers arrays. The use of these devices is associated with a high cost, both in size and number of hardware resources, as in the time required for acquisition and data processing. This hinders the development of compact and low power systems that can operate in real-time. In this sense, the synthetic aperture techniques have demonstrated to be an effective method to achieve those goals, minimizing the size of the systems and accelerating the images acquisition. However, the current solutions have proven inefficient, not being able to solve jointly the speed requirements, hardware reduction and high image quality that require this type of systems. This thesis addresses the design of new synthetic aperture techniques for linear and matrix arrays, with special emphasis on obtaining solutions that minimize the system complexity, while getting high levels of quality and an adequate frame rate. In total, five new techniques are presented, three for the linear case and two more for the bidimensional, as well as some other minor, offering thus to the designer a wide range of options to use depending on the hardware reduction required in each case. So, minimum redundancy solutions for both linear and bidimensional arrays are proposed, which allow to obtain the same response of a conventional full array but using the minimum number of input-output channels. Also other techniques are proposed for those cases where design requirements are not so severe, which get a higher image quality at the expense of a greater number and size of the resources. In all cases we analyze a set of parameters common to all them, such as the beam pattern, the virtual aperture synthesized, the system frame rate or the noise figure achieved with each one, can thus establish a direct comparison between all of them. The proposed solutions have been also validated experimentally, getting in all cases results that fit perfectly with the previous simulations, confirming thus the theoretical assumptions and reaching the goals initially set in the thesis.Peer reviewe