Ultraschallkontrastmittel sind ein wichtiges Werkzeug in der medizinischen Bildgebung. Sie bestehen aus umhüllten gasgefüllten Mikrobläschen und sind typischerweise polydispers, wobei sich Größe, Resonanzverhalten, Dämpfung und Hülleneigenschaften einzelner Bläschen unterscheiden können. Die Möglichkeit der In-vivo-Charakterisierung dieser Eigenschaften könnte das Verständnis des Verhaltens von Kontrastmitteln im menschlichen Körper verbessern und zukünftige diagnostische und therapeutische Anwendungen sowie die Entwicklung verbesserter Kontrastmittel unterstützen.Diese Arbeit stellt einen Ansatz zur akustischen Charakterisierung einzelner Mikrobläschen vor. Die Methode kombiniert Verfahren der Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie, des Fingerprint-Matrix-Imaging und der theoretischen Modellierung der Bläschendynamik. Einzelne Bläschen werden zunächst in dreidimensionalen Ultraschalldaten lokalisiert und ihre Trajektorien bestimmt. Anschließend wird die gemessene Reflexionsmatrix auf die lokalisierten Bläschenpositionen rückpropagiert, um die akustischen Signale einzelner Bläschen zu isolieren. In diesem Schritt werden die Signale aus unterschiedlichen Einfallswinkeln zeitlich korrigiert, um die Bewegung der Bläschen zwischen den aufeinanderfolgenden Beschallungen zu kompensieren. Zusätzlich werden die Signale über alle Frames derselben Bläschentrajektorie gemittelt, um verbleibende Hintergrundsignale zu reduzieren. Das resultierende Signal wird mit modellierten Bläschensignalen verglichen, die mithilfe des linearisierten Marmottant-Modells berechnet werden. Durch Maximierung der Ähnlichkeit zwischen gemessenen und modellierten Signalen werden die Eigenfrequenz und das Dämpfungsverhältnis einzelner Bläschen bestimmt, aus denen weitere Größen wie der Gleichgewichtsradius abgeleitet werden können.Der Ansatz wird anhand eines Experiments untersucht, bei dem verdünntes SonoVue-Kontrastmittel durch einen in ein gewebeimitierendes Phantom eingebetteten Schlauch gepumpt und mit einem Matrix-Array-Transducer abgebildet wird. Für viele detektierte Bläschen ergeben sich hohe Ähnlichkeitswerte, was zeigt, dass das gemessene akustische Signal durch das linearisierte Bläschenmodell gut reproduziert werden kann.Da der vorgeschlagene Ansatz auf Post-Processing der Ultraschalldaten basiert, könnte er in Zukunft auf bereits vorhandene kontrastverstärkte Roh-Ultraschalldatensätze angewendet werden. Dadurch könnten die Methode weiter verbessert, die Bedingungen für eine zuverlässige Bläschencharakterisierung systematisch untersucht und zukünftige Anwendungen vorbereitet werden.
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Ultrasound contrast agents are an important tool in medical ultrasound imaging.They consist of gas-filled microbubbles surrounded by a shell and are typically polydisperse, with individual bubbles differing in size, resonance behaviour,damping, and shell properties. Characterising these properties in vivocould improve the understanding of contrast-agent behaviour in the human bodyand may support future diagnostic and therapeutic applications, as well as the development of improved contrast agents.This thesis presents an approach for the acoustic characterisation of individual microbubbles. The approach combines methods from ultrasound localization microscopy,fingerprint matrix imaging, and theoretical modelling of bubble dynamics.Individual bubbles are first localised and tracked in three-dimensional ultrasound data. The measured reflection matrix is then backpropagated to thelocalised bubble positions to isolate single-bubble acoustic responses. During thisstep, signals from different incident angles are temporally aligned to compensate for bubble motion during sequential illumination. The signals are additionally averaged over all frames of the same bubble trajectory to suppress remaining background contributions. The resulting response is compared with modelledre radiated bubble pressures obtained from a linearised Marmottant model. Maximising the similarity between measured and modelled responses yields estimates of the eigenfrequency and damping ratio, from which further quantities such as the equilibrium radius can be inferred.The method is applied to an experiment in which diluted SonoVue contrast agentis pumped through a tube embedded in a tissue-mimicking phantom and imagedusing a matrix-array transducer. For many detected bubbles, high similarity values are obtained, indicating that the measured acoustic response can be reproduced well by the linearised bubble model.As the proposed approach is based on post-processing, it may in the future beapplied to existing contrast-enhanced raw ultrasound datasets. This could enable further refinement of the technique, a systematic assessment of the conditions under which reliable bubble characterisation is possible, and future applications of the method.
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