Aplicação de beamformer eigenspace com técnicas adaptativas e filtros para formação de imagens de ultrassom de elastografia com ondas planas

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2026
Autor(a) principal: Neves, Larissa Comar
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40749
Resumo: Ultrasound devices stand out for their practicality and safety in assisting medical diagnosis, and new approaches are increasingly being sought to improve image quality. Among the applications of ultrasound imaging systems is the study of tissue elasticity (elastography), which can help detect and diagnose diseases such as cancer. To study tissues, it is necessary to use high-frequency and plane-wave techniques, which enable higher frame rates and are valuable tools for elastography. Therefore, new adaptive beamformers for Plane Wave Imaging have emerged, enabling improved contrast and resolution. The use of the Minimum Variance-based Eigenspace Beamformer (EBMV) with the Generalized Sidelobe Canceler (GSC) reduces interference and noise, yielding images with higher contrast and resolution than those from traditional Delay-and-Sum (DAS) and Minimum Variance (MV) methods. In addition, image-processing filters are applied to reduce speckle noise in ultrasound images. In this work, the EBMV-GSC beamformer was combined with Wiener, Lee, and Kuan filters, and their enhanced versions, to improve plane-wave ultrasound image processing for elastography applications. In B-mode results, the Wiener-filter-based methods showed the best performance in contrast and image quality, especially the EBGSC-We method, which improved contrast by up to 74 % compared to the DAS method and 60 % compared to the EBGSC method. On the other hand, methods based on Lee and Kuan filters showed greater reductions in geometric distortions and sidelobes. In the elastography results, the EBGSC-W and EBGSC-We techniques yielded velocity estimates closer to the expected theoretical values than the EBGSC techniques combined with Lee and Kuan filters, and showed greater stability in shear wave tracking. The EBGSC-We technique stood out by achieving a percentage error of approximately 1.2 %, resulting in a reduction of more than 80 % compared to the DAS method. Furthermore, in the strain map analysis, the EBGSC-W and EBGSC-We techniques showed gains of up to 19% and 16 % in contrast (CR), 24 % and 18 % in CNR, and 10 % and 8 % in SNR compared to the DAS method, respectively, indicating better preservation of image contrast and signal-to-noise ratio in ultrasound images. Overall, the results indicate that the combination of the EBMV-GSC beamformer with Wiener-based filters has strong potential for ultrasound elastography applications, improving image quality and reducing shear-wave velocity estimation errors.
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spelling Aplicação de beamformer eigenspace com técnicas adaptativas e filtros para formação de imagens de ultrassom de elastografia com ondas planasApplication of eigenspace beamformer with adaptive techniques and filters for ultrasound elastography imaging with plane waveDiagnóstico por ultrassomUltrassonografiaReconstrução de imagensProcessamento de imagens - Técnicas digitaisFiltros adaptativosDiagnóstico por imagemDiagnostic ultrasonic imagingUltrasonic imagingImage reconstructionImage processing - Digital techniquesAdaptative filtersDiagnostic imagingCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA::PROCESSAMENTO DE SINAIS BIOLOGICOSEngenharia ElétricaUltrasound devices stand out for their practicality and safety in assisting medical diagnosis, and new approaches are increasingly being sought to improve image quality. Among the applications of ultrasound imaging systems is the study of tissue elasticity (elastography), which can help detect and diagnose diseases such as cancer. To study tissues, it is necessary to use high-frequency and plane-wave techniques, which enable higher frame rates and are valuable tools for elastography. Therefore, new adaptive beamformers for Plane Wave Imaging have emerged, enabling improved contrast and resolution. The use of the Minimum Variance-based Eigenspace Beamformer (EBMV) with the Generalized Sidelobe Canceler (GSC) reduces interference and noise, yielding images with higher contrast and resolution than those from traditional Delay-and-Sum (DAS) and Minimum Variance (MV) methods. In addition, image-processing filters are applied to reduce speckle noise in ultrasound images. In this work, the EBMV-GSC beamformer was combined with Wiener, Lee, and Kuan filters, and their enhanced versions, to improve plane-wave ultrasound image processing for elastography applications. In B-mode results, the Wiener-filter-based methods showed the best performance in contrast and image quality, especially the EBGSC-We method, which improved contrast by up to 74 % compared to the DAS method and 60 % compared to the EBGSC method. On the other hand, methods based on Lee and Kuan filters showed greater reductions in geometric distortions and sidelobes. In the elastography results, the EBGSC-W and EBGSC-We techniques yielded velocity estimates closer to the expected theoretical values than the EBGSC techniques combined with Lee and Kuan filters, and showed greater stability in shear wave tracking. The EBGSC-We technique stood out by achieving a percentage error of approximately 1.2 %, resulting in a reduction of more than 80 % compared to the DAS method. Furthermore, in the strain map analysis, the EBGSC-W and EBGSC-We techniques showed gains of up to 19% and 16 % in contrast (CR), 24 % and 18 % in CNR, and 10 % and 8 % in SNR compared to the DAS method, respectively, indicating better preservation of image contrast and signal-to-noise ratio in ultrasound images. Overall, the results indicate that the combination of the EBMV-GSC beamformer with Wiener-based filters has strong potential for ultrasound elastography applications, improving image quality and reducing shear-wave velocity estimation errors.Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP)Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do ParanáOs aparelhos de ultrassom se destacam pela praticidade e segurança ao auxiliar nos diagnósticos médicos e, cada vez mais, buscam-se novas formas de melhorar a qualidade da imagem. Dentre as aplicações dos aparelhos de imagem por ultrassom, está o estudo das características elásticas dos tecidos (elastografia), que permite detectar e auxiliar no diagnóstico de doenças como o câncer. Para que seja possível estudar os tecidos, é necessário o uso de altas frequências e de técnicas com ondas planas, que possibilitam maiores taxas de quadro e podem ser ótimas aliadas na geração de imagens de elastografia. Devido a isso, têm surgido novos beamformers adaptativos para a formação de imagens com ondas planas, proporcionando maior contraste e resolução espacial. A utilização da técnica Beamformer Eigenspace baseada em Mínima Variância (EBMV), associada ao Generalized Sidelobe Canceler (GSC), reduz os efeitos de interferência e ruído e fornece imagens com maior contraste e resolução espacial em comparação aos métodos tradicionais Delay-and-Sum (DAS) e Mínima Variância (MV). Também são aplicados filtros no processamento de imagens para reduzir o ruído speckle presente nas imagens de ultrassom. Neste trabalho, combinou-se o beamformer EBMV com GSC e filtros Wiener, Lee e Kuan, bem como suas versões aprimoradas, para melhorar o processamento de imagens de ultrassom de ondas planas, visando à melhoria das imagens de elastografia. Nos resultados em Modo B, os métodos baseados no filtro de Wiener apresentaram os melhores desempenhos em termos de contraste e qualidade da imagem, destacando-se o método EBGSC-We, que promoveu melhoria de até 74 % no contraste em relação ao método DAS e de 60 % em relação ao método EBGSC. Já os métodos baseados nos filtros de Lee e Kuan apresentaram maior redução das distorções geométricas e dos lóbulos laterais. Nos resultados de elastografia, as técnicas EBGSC-W e EBGSC-We apresentaram estimativas de velocidade mais próximas dos valores teóricos esperados do que as técnicas EBGSC com filtros de Lee e Kuan, além de maior estabilidade no rastreamento da onda de cisalhamento. Destacou-se a técnica EBGSC-We, que apresentou erro percentual de aproximadamente 1,2 %, o que representa uma redução superior a 80 % em relação ao método DAS. Além disso, na análise das imagens de deformação, as técnicas EBGSC-W e EBGSC-We mostraram ganhos de até 19 % e 16 % no contraste (CR), 24 % e 18 % no CNR e 10 % e 8 % no SNR em comparação ao método DAS, respectivamente, indicando melhor preservação do contraste e da relação sinal-ruído das imagens ultrassônicas. De forma geral, os resultados indicam que a combinação do beamformer EBMV-GSC com filtros baseados em Wiener tem potencial para aplicações em elastografia ultrassônica, permitindo melhorar a qualidade das imagens e reduzir os erros na estimativa da velocidade da onda de cisalhamento.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática IndustrialUTFPRMaia, Joaquim Miguelhttps://orcid.org/0000-0001-6309-8664https://lattes.cnpq.br/6369674496221915Assef, Amauri Amorinhttps://orcid.org/0000-0002-2001-5387https://lattes.cnpq.br/0720172921923496Zimbico, Acácio Joséhttps://orcid.org/0000-0002-2181-6426https://lattes.cnpq.br/1845902393275091Maia, Joaquim Miguelhttps://orcid.org/0000-0001-6309-8664https://lattes.cnpq.br/6369674496221915Cunha, José Carlos dahttps://orcid.org/0009-0007-2886-1987https://lattes.cnpq.br/7523890967788173Carbente, Rubem Petryhttps://orcid.org/0000-0002-2839-2806https://lattes.cnpq.br/8097140818587040Pavan, Theo Zeferinohttps://orcid.org/0000-0002-9931-8558http://lattes.cnpq.br/3593197075532072Neves, Larissa Comar2026-07-10T17:17:33Z2026-07-10T17:17:33Z2026-06-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfNEVES, Larissa Comar. Aplicação de beamformer eigenspace com técnicas adaptativas e filtros para formação de imagens de ultrassom de elastografia com ondas planas. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40749porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2026-07-11T06:11:01Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/40749Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2026-07-11T06:11:01Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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