Portable low cost ultrasound imaging system

Abstract

The use of ultrasound in medicine has increased in the last decade either in diagnostics or in treatments. Ultrasound is safe and easy to use compared to other imaging methods, such as X-ray imaging. Various probes are used to image di erent body parts and internal organs. Probes usually employ a transducer array. Typically these transducer arrays have 64, 96 or 128 elements. While in use, each element of the transducer is driven by a dedicated beam former electronics in transmit an receive. A typical ultrasound system costs somewhere between $100K to $250K. Recently, low cost laptop computer based ultrasound systems have been developed to facilitate the common use of ultrasound devices. The cost reduction is achieved by reducing the channel count. However, even these systems are quite expensive, on the orders of $20K (except a few systems). This high cost limited the wide use of these systems. This thesis aims the design of a mechanically scanned hand-probe for ultrasound imaging with a signicantly reduced channel count (2-4 array elements). The operator will scan the organ to be imaged by the motion of his/her hand. The probe will consist of the transducer, inertial sensors and the driver electronics. While the probe is swung on the body of the patient, the movement of the probe in the 3D space will be monitored by inertial sensors. Acceleration and rotation data from the inertial sensor will be converted to location data by the use of a positioning algorithm (Quaternion estimator), and this data will then be used for the construction of the ultrasound image. This approach will signicantly simplify the transducer electronics and, hence, will reduce the system cost.

Tıpta ultrason kullanımı teşhis ve tedavi için son on yılda artmıştır. Ultrason X-ışını görüntüleme gibi görüntüleme yöntemlerine nazaran kullanımı daha kolay ve güvenlidir. Çeşitli sondalar farklı vücut parçaları ve iç organlarını görüntülemede kullanılır. Sondalar genellikle transdüser dizisi olarak kullanılır. Genelde bu transdüser dizilerinin 64, 96 veya 128 elemanı vardır. Kullanımdayken transdüserin her elemanı gönderme ve alma için atanmış ışın şekillendirici elektronik cihazlar tarafından sürülür. Tipik bir ultrason sisteminin $ 250K ile $ 100K arasında maliyeti vardır. Son zamanlarda düşük maliyetli dizüstü bilgisayar tabanlı ultrason sistemleri, ultrason cihazlarının ortak kullanımını kolaylaştırmak için geliştirilmiştir. Maliyet azaltma ise kanal sayısını azaltarak elde edilebilir. Ancak $ 20K civarındaki birkaç sistem hariç bu sistemler bile oldukça pahalıdır. Bu yüksek maliyet bu sistemlerin yaygın kullanımını sınırlamaktadır. Bu tezde bir ölçüde azaltılmış kanal sayısı (2-4 dizi elemanları) ile ultrason görüntülemesi için mekanik taranan el sonda tasarımı amaçlanmaktadır. Organı tarayan operatör elinin hareketi sayesinde görüntüleri elde edebilecektir. Sonda transdüser, atalet sensörleri ve sürücü elektroniğinden oluşacaktır. Sonda hastanın vücudunda dolaştırılırken, test çubuğunun hareketi 3 boyutlu uzayda atalet sensörleri tarafından izlenecektir. Atalet sensöründen alınan hızlanma ve rotasyon verileri, konumlandırma algoritması (Quaternion tahmincisi) kullanılmasıyla konum verilerine dönüştürülür ve bu veriler daha sonra ultrason görüntüsünün yapımı için kullanılır. Bu yaklaşım, önemli ölçüde transdüser elektroniğini basitleştirecek ve bu nedenle sistem maliyeti azalacaktır.