Калибровка большого массива ультразвуковых сенсоров
- Авторы: Граничин О.Н.1, Граничина О.А.2, Трофимов С.А.1, Щербаков П.С.3,4
-
Учреждения:
- Санкт-Петербургский государственный университет
- Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
- ФГБУН Институт проблем управления РАН, Москва
- Московский физико-технический институт
- Выпуск: № 112 (2024)
- Страницы: 294-309
- Раздел: Программы и системы моделирования объектов, средств и систем управления
- URL: https://bakhtiniada.ru/1819-2440/article/view/284220
- ID: 284220
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Предлагается метод калибровки плоского кругового массива сенсоров для ультразвуковой медицинской томографии, позволяющий оценивать координаты сенсоров и задержки приема/передачи сигналов. Он основан на модели распространения ультразвуковых волн и использует триангуляцию для оптимизации параметров модели. На каждой итерации метода оценки координат и задержек пересчитываются отдельно друг от друга путем решения систем линейных уравнений малой размерности. Моделирование на искусственно сгенерированных данных показало высокую эффективность и точность предложенного подхода. Метод устойчив к шумам и способен работать в различных условиях, включая неидеальность модели распространения ультразвуковых волн. Предложенная процедура калибровки может быть легко масштабирована на большие размеры массива, что актуально при практической реализации систем ультразвуковой томографии. Представляется, что разработанный подход позволит повысить точность результатов ультразвуковой томографии при работе на реальных данных, что делает его ценным инструментом для широкого спектра применений, таких как медицинская диагностика и робототехника.
Об авторах
Олег Николаевич Граничин
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: oleg_granichin@mail.ru
Санкт-Петербург
Ольга Александровна Граничина
Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
Email: olga_granichina@mail.ru
Санкт-Петербург
Степан Артемович Трофимов
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: steve.trofimov@gmail.com
Санкт-Петербург
Павел Сергеевич Щербаков
ФГБУН Институт проблем управления РАН, Москва; Московский физико-технический институт
Email: cavour118@mail.ru
Долгопрудный
Список литературы
- ГРАНИЧИН О.Н., ЩЕРБАКОВ П.С. Об одном подходе к ре-шению задачи о калибровке большого массива ультразву-ковых датчиков // В Cб. материалов XIV Всероссийскогосовещания по проблемам управления (ВСПУ-2024), Россия,Москва, ИПУ РАН, 17–20 июня 2024. – 2024.
- CAMPI M., GARATTI S. Compression, generalization andlearning // Journal of Machine Learning Research. – 2023. –Vol. 24, No. 339. – P. 1–74.
- CS ´ AJI B.C., CAMPI M.C., WEYER E. Sign-perturbedsums: A new system identification approach for constructingexact non-asymptotic confidence regions in linear regressionmodels // IEEE Trans. on Signal Processing. – 2014. – Vol. 63,No. 1. – P. 169–181.
- DURIC N., LITTRUP P., POULO L. et al. Detection of breastcancer with ultrasound tomography: First results with theComputed Ultrasound Risk Evaluation (CURE) prototype //Medical physics. – 2007. – Vol. 34, No. 2. – P. 773–785.
- EROFEEVA V., GALYAMINA V., GRANICHIN O. et al.Detection of specific areas and densities for ultrasoundtomography // Cybernetics and Physics. – 2019. – Vol. 8,No. 3. – P. 121–127.
- FANG X., WU Y., SONG J. et al. Zone-shrinking Fresnel zonetravel-time tomography for sound speed reconstruction in breastUSCT // Sensors. – 2020. – Vol. 20, No. 19. – P. 5563.
- GRANICHIN O., EROFEEVA V., IVANSKIY Y. et al.Simultaneous perturbation stochastic approximation-based consensus for tracking under unknown-but-boundeddisturbances // IEEE Trans. on Automatic Control. – 2021. –Vol. 66, No. 8. – P. 3710–3717.
- GRANICHIN O., SCHERBAKOV P., MING Y. A Calibrationalgorithm for a large circular array of ultrasound transducers //Proc. of the Int. Workshop on Medical Ultrasound Tomography(MUST), 10-12 June 2024, Amsterdam, Netherlands. – 2024.
- GR ¨ OHL J., SCHELLENBERG M., DREHER K. et al. Deeplearning for biomedical photoacoustic imaging: A review //Photoacoustics. – 2021. – Vol. 22. – P. 100241.
- JOVANOVIC I. Inverse problems in acoustic tomography:theory and applications. – Suisse: EPFL, 2008. – 139 c.
- LENOX M.W., WISKIN J., LEWIS M. et al. Imagingperformance of quantitative transmission ultrasound // Journalof Biomedical Imaging. – 2015. – Vol. 2015. – P. 773–785.
- LIN L., ZHANG Y., HU P. et al. High-speed three-dimensionalphotoacoustic computed tomography for preclinical researchand clinical translation // Nature communications. – 2021. –Vol. 12. – P. 882.
- RAHAMAN J., PRAKASH R., RANJBARAN M. et al.Transducer misplacement compensation for in-lab-made 3Dphotoacoustic tomography systems using nature-inspiredalgorithms // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing. –2023. – Vol. 12379. – P. 123790W.
- RAJENDRAN P., PRAMANIK M. Deep-learning-based multi-transducer photoacoustic tomography imaging without radiuscalibration // Optics Letters. – 2023. – Vol. 46, No. 18. –P. 4510–4513.
- ROY O., JOVANOVI ´ C I., DURI ´ C N. et al. Robustarray calibration using time delays with application toultrasound tomography // Medical Imaging: UltrasonicImaging, Tomography, and Therapy. – 2011. – Vol. 7968. –P. 46–56.
- RUITER N.V., ZAPF M., HOPP T. et al. 3D ultrasoundcomputer tomography of the breast: A new era? // EuropeanJournal of Radiology. – 2012. – Vol. 81. – P. S133–S134.
- SASTRY K., ZHANG Y., HU P. et al. A method for thegeometric calibration of ultrasound transducer arrays witharbitrary geometries // Photoacoustics. – 2023. – Vol. 32. –P. 100520.
- SONG J., WANG S., ZHOU L. et al. A prototype system forultrasound computer tomography with ring array // 2nd IETInt. Conf. on Biomedical Image and Signal Processing (ICBISP-2017). – 2017. – P. 1–4.
- SONG J., ZHANG Q., ZHOU L. et al. Design andimplementation of a modular and scalable research platform forultrasound computed tomography // IEEE Trans. on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control. – 2021. – Vol. 69,No. 1. – P. 62–72.
- WANG S., ZENG L., SONG J. et al. Variational modedecomposition for ultrasound computed tomography // MedicalImaging: Ultrasonic Imaging and Tomography. – 2020. –Vol. 11319, No. 19. – P. 140–145.
Дополнительные файлы
