Electromagnetic models for ultrasound image processing
Authors:   , Navarrete Hurtado Hugo Ariel 
Published: July 2023

Speckle noise appears when coherent illumination is employed, as for example Laser, Synthetic Aperture Radar (SAR), Sonar, Magnetic Resonance, X-ray and Ultrasound imagery. Backscattered echoes from the randomly distributed scatterers in the microscopic structure of the medium are the origin of speckle phenomenon, which characterizes coherent imaging with a granular appearance. It can be shown that speckle noise is of multiplicative nature, strongly correlated and more importantly, with non-Gaussian statistics. These characteristics differ greatly from the traditional assumption of white additive Gaussian noise, often taken in image segmentation, filtering, and in general, image processing; which leads to reduction of the methods effectiveness for final image information extraction; therefore, this kind of noise severely impairs human and machine ability to image interpretation.
Statistical modeling is of particular relevance when dealing with speckled data in order to obtain efficient image processing algorithms; but, additionally, clinical ultrasound imaging systems employ nonlinear signal processing to reduce the dynamic range of the input echo signal to match the smaller dynamic range of the display device and to emphasize objects with weak backscatter. This reduction in dynamic range is normally achieved through a logarithmic amplifier i.e. logarithmic compression, which selectively compresses large input signals. This kind of nonlinear compression totally changes the statistics of the input envelope signal; and, a closed form expression for the density function of the logarithmic transformed data is usually hard to derive.
This thesis is concerned with the statistical distributions of the Log-compressed amplitude signal in coherent imagery, and its main objective is to develop a general statistical model for log-compressed ultrasound B-scan images. The developed model is adapted, making the pertinent physical analogies, from the multiplicative model in Synthetic Aperture Radar (SAR) context. It is shown that the proposed model can successfully describe log-compressed data generated from different models proposed in the specialized ultrasound image processing literature. Also, the model is successfully applied to model in-vivo echo-cardiographic (ultrasound) B-scan images. Necessary theorems are established to account for a rigorous mathematical proof of the validity and generality of the model. Additionally, a physical interpretation of the parameters is given, and the connections between the generalized central limit theorems, the multiplicative model and the compound representations approaches for the different models proposed up-to-date, are established. It is shown that the log-amplifier parameters are included as model parameters and all the model parameters are estimated using moments and maximum likelihood methods. Finally, three applications are developed: speckle noise identification and filtering; segmentation of in vivo echo-cardiographic (ultrasound) B-scan images and a novel approach for heart ejection fraction evaluation
El ruido Speckle aparece cuando se utilizan sistemas de iluminación coherente, como por ejemplo Láser, Radar de Apertura Sintética (SAR), Sonar, Resonancia Magnética, rayos X y ultrasonidos. Los ecos dispersados por los centros dispersores distribuidos al azar en la estructura microscópica del medio son el origen de este fenómeno, que caracteriza las imágenes coherentes con un aspecto granular. Se puede demostrar que el ruido Speckle es de carácter multiplicativo, fuertemente correlacionados y lo más importante, con estadística no Gaussiana. Estas características son muy diferentes de la suposición tradicional de ruido aditivo gaussiano blanco, a menudo asumida en la segmentación de imágenes, filtrado, y en general, en el procesamiento de imágenes; lo cual se traduce en la reducción de la eficacia de los métodos para la extracción de información de la imagen final. La modelización estadística es de particular relevancia cuando se trata con datos Speckle, a fin de obtener algoritmos de procesamiento de imágenes eficientes. Además, el procesamiento no lineal de señales empleado en sistemas clínicos de imágenes por ultrasonido para reducir el rango dinámico de la señal de eco de entrada de manera que coincida con el rango dinámico más pequeño del dispositivo de visualización y resaltar así los objetos con dispersión más débil, modifica radicalmente la estadística de los datos. Esta reducción en el rango dinámico se logra normalmente a través de un amplificador logarítmico es decir, la compresión logarítmica, que comprime selectivamente las señales de entrada y una forma analítica para la expresión de la función de densidad de los datos transformados logarítmicamente es por lo general difícil de derivar. Esta tesis se centra en las distribuciones estadísticas de la amplitud de la señal comprimida logarítmicamente en las imágenes coherentes, y su principal objetivo es el desarrollo de un modelo estadístico general para las imágenes por ultrasonido comprimidas logarítmicamente en modo-B. El modelo desarrollado se adaptó, realizando las analogías físicas relevantes, del modelo multiplicativo en radares de apertura sintética (SAR). El Modelo propuesto puede describir correctamente los datos comprimidos logarítmicamente a partir datos generados con los diferentes modelos propuestos en la literatura especializada en procesamiento de imágenes por ultrasonido. Además, el modelo se aplica con éxito para modelar ecocardiografías en vivo. Se enuncian y demuestran los teoremas necesarios para dar cuenta de una demostración matemática rigurosa de la validez y generalidad del modelo. Además, se da una interpretación física de los parámetros y se establecen las conexiones entre el teorema central del límite generalizado, el modelo multiplicativo y la composición de distribuciones para los diferentes modelos propuestos hasta a la fecha. Se demuestra además que los parámetros del amplificador logarítmico se incluyen dentro de los parámetros del modelo y se estiman usando los métodos estándar de momentos y máxima verosimilitud. Por último, tres aplicaciones se desarrollan: filtrado de ruido Speckle, segmentación de ecocardiografías y un nuevo enfoque para la evaluación de la fracción de eyección cardiaca.