Signal Processing Methods for Plane-Wave Color Doppler Ultrasound Imaging

Conventional  medical  ultrasound  imaging  uses  focused  beams  to  scan  the  imaging  sceneline-by-line,  but  recently  however,  plane-wave  imaging,  in  which  plane-waves  are  used  toilluminate  the  entire  imaging  scene,  has  been  gaining  popularity  due  its  ability  to  achievehigh  frame  rates,  thus  allowing  the  capture  of  fast  dynamic  events  and  producing  continuousDoppler  data.  In  most  implementations,  multiple  low-resolution  images  from  different  planewave  tilt  angles  are  coherently  averaged  (compounded)  to  form  a  single  high-resolutionimage,  albeit  with  the  undesirable  side  effect  of  reducing  the  frame  rate,  and  attenuatingsignals  with  high  Doppler  shifts.

This  thesis  introduces  a  spread-spectrum  color  Doppler  imaging  method  that  produces  highresolution  images  without  the  use  of  frame  compounding,  thereby  eliminating  the  tradeoffbetween  beam  quality,  frame  rate  and  the  unaliased  Doppler  frequency  limit.  The  methoduses  a  Doppler  ensemble  formed  of  a  long  random  sequence  of  transmit  tilt  angles  thatrandomize  the  phase  of  out-of-cell  (clutter)  echoes,  thereby  spreading  the  clutter  power  in  theDoppler  spectrum  without  compounding,  while  keeping  the  spectrum  of  in-cell  echoes  intact.

The  spread-spectrum  method  adequately  suppresses  out-of-cell  blood  echoes  to  achieve  highspatial  resolution,  but  spread-spectrum  suppression  is  not  adequate  for  wall  clutter  whichmay  be  60  dB  above  blood  echoes.  We  thus  implemented  a  clutter  filter  that  re-arranges  theensemble  samples  such  that  they  follow  a  linear  tilt  angle  order,  thereby  compacting  theclutter  spectrum  and  spreading  that  of  the  blood  Doppler  signal,  and  allowing  cluttersuppression  with  frequency  domain  filters.  We  later  improved  this  filter  with  a  redesign  ofthe  random  sweep  plan  such  that  each  tilt  angle  is  repeated  multiple  times,  allowing,  afterensemble  re-arrangement,  the  use  of  comb  filters  for  improved  clutter  suppression.

Experiments  performed  using  a  carotid  artery  phantom  with  constant  flow  demonstrate  thatthe  spread-spectrum  method  more  accurately  measures  the  parabolic  flow  profile  of  thevessel  and  outperforms  conventional  plane-wave  Doppler  in  both  contrast  resolution  andestimation  of  high  flow  velocities.