Ultrasound contrast agents (UCA) is a relatively new tool, used in medical ultrasound imaging to enhance the diagnostic abilities of ultrasound and potentially offer a therapeutic value in medical ultrasounds. UCAs are bi or single-layered bubbles, that contain a highly backscattering gas. By injecting them into the blood flow, we locally increase the echogenicity and therefor enhance the contrast of the blood-tissue interface. This way we can provide a improved image of the structure of the organs, we can more accurately diagnose abnormal of defected areas on them, and if the containing gas is replaced with an appropriate drug, focus drug delivery can be achieved, providing potential healing of the disease. ! Up to now, most of the studies done in order to investigate the microbubbles - ultrasound interaction are mostly population studies, which due to their roughly approach cannot clearly diagnose and explain the complex nonlinear and dynamic properties of UCAs and their response to ultrasound field. Because of that, our knowledge on the UCAsʼ, is yet limited although the potential improvements at imaging and therapeutic technics that would be gained from a thorough understanding of this interactions can be very big. ! In this thesis, a study of single microbubbles is presented, using a system developed by the group of Ultrasound imaging in Edinburgh University. The system uses a specially modified commercial ultrasound machine, phased array probes and a specially designed single microbubbles measuring system. The system has the ability to feed, insonify and capture the backscattered echo from a single microbubble, with the use of fully calibrated and characterized ultrasound - probe system. The aim of the project is to contribute in the understanding of the behavior of the UCAs when insonified with an ultrasound wave, and the underlying physical mechanism behind that. The response of two different commercially available UCAs under insonification by ultrasound waves of varying acoustical pressure is presented. The UCAs used are Definity and biSphere. In total echoes from 842 biSphere and 1994 Definity microbubbles have ben captured and the data have been analyzed with in house made matlab codes. Also the response of the bubbles when insonified by consequent pulses of different repetition frequency has been investigated. For this reason, echoes from other 1221 Definity and 459 biSphere microbubbles have been captured and analyzed. The fully understanding of the agent - ultrasound interaction mechanisms can be the basis for creating improved signal processing tools for ultrasound imaging contrast enhancement that would improve imaging abilities of the modality, and potentially use of UCAs as a therapeutic mean. / Οι μικροφυσαλίδες ενίσχυσης της αντίθεσης στην υπερηχοτομογραφία είναι ένα σχετικά καινούργιο “εργαλείο”, το οποίο χρησιμοποιείται προκειμένου να βελτιώσει τις διαγνωστικές ιδιότητες της υπερηχοτομογραφίας και δυνητικά να προσφέρει μια θεραπευτική αξία σε αυτήν. Οι μικροφυσαλίδες είναι φυσαλίδες μονού ή διπλού κελύφους, με διάμετρο της τάξης των 3 μm, οι οποίες περιέχουν αέριο που αντανακλά έντονα τον ήχο. Εισάγοντας τις φυσαλίδες αυτές στην ροή του αίματος του ασθενούς, ενισχύουμε τοπικά την ηχογένεια και κατ΄ επέκταση βελτιώνουμε την αντίθεση μεταξύ του αίματος και των παρακείμενων ιστών. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε να αποκτήσουμε μια καλύτερη εικόνα της δομής των οργάνων, να διαγνώσουμε με ακρίβεια την παθοφυσιολογία συγκεκριμένων περιοχών πάνω σε αυτά και, εάν το αέριο των φυσαλίδων αντικατασταθεί με την κατάλληλη φαρμακευτική ουσία, να επιτύχουμε στοχευμένη εφαρμογή της φαρμακευτικής θεραπείας, οδηγώντας σε πιθανή ίαση της ασθένειας. ! Μέχρι τώρα, το μεγαλύτερο μέρος των μελετών που έχουν γίνει με σκοπό την διερεύνηση της αλληλεπίδρασης των φυσαλίδων με τους υπερήχους βασίζονται σε πληθυσμιακές μελέτες, οι οποίες λόγω της γενικής (σε επίπεδο πληθυσμού) προσέγγισής τους, δεν μπορούν με σαφήνεια να διαγνώσουν και να εξηγήσουν τις σύνθετες μη γραμμικές και δυναμικές ιδιότητες των μικροφυσαλίδων, καθώς και την συμπεριφορά τους όταν βρεθούν μέσα στο υπερηχητικό πεδίο. Εξαιτίας αυτού, η γνώση μας σχετικά με τις μικροφυσαλίδες ενίσχυσης της αντίθεσης είναι ακόμα περιορισμένη, αν και οι πιθανές βελτιώσεις τόσο στις απεικονιστικές όσο και στις θεραπευτικές τεχνικές των υπερήχων που θα μπορούσαν να επιτευχθούν μέσα από την κατανόηση αυτής της αλληλεπίδρασης θα ήταν ιδιαίτερα σημαντικές. ! Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζεται μια μελέτη των μικροφυσαλίδων όχι σε επίπεδο πληθυσμού αλλά σε επίπεδο μονάδας, η οποία έγινε με την χρήση μιας καινοτόμου πειραματικής διάταξης που αναπτύχθηκε από την ομάδα Υπερηχοτομογραφίας του Πανεπιστήμιου του Εδιμβούργου. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιεί έναν ειδικά τροποποιημένο εμπορικό υπερηχοτομογράφο, phased array εκπομπούς, και ένα επίσης ειδικά κατασκευασμένο σύστημα μέτρησης της απόκρισης των μιρκοφυσαλίδων σε επίπεδο μονάδας. Το σύστημα αυτό έχει την δυνατότητα να εισάγει, να διεγείρει με υπερήχους, καθώς και να συλλέγει την ανάκλαση από τις μικροφυσαλίδες, μία προς μία. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να συμβάλει όσο το δυνατόν περισσότερο στην κατανόηση της συμπεριφοράς των μικροφυσαλίδων όταν αυτές διεγείρονται από υπερηχητικά κύματα, καθώς και των υπεύθυνων, για την συμπεριφορά αυτή, φυσικών μηχανισμών. ! Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η απόκριση δυο διαφορετικών εμπορικά διαθέσιμων τύπων μικροφυσαλίδων, σε υπερηχητικά κύματα διαφορετικών ακουστικών πιέσεων. Οι μικροφυσαλίδες που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι Definity και οι biSphere. Συνολικά, η ανάκλαση από 842 biSphere και 1994 Definity μικροφυσαλίδες έχει καταγραφεί, και τα δεδομένα έχουν αναλυθεί με κώδικα Matlab, ο οποίος αναπτύχθηκε στο εργαστήριο ειδικά για την ανάλυση αυτή. ! Επίσης, ερευνάται η απόκριση των φυσαλίδων όταν διεγείρονται από αλλεπάληλους υπερηχητικούς παλμούς, διαφορετικών συχνοτήτων επανάληψης. Για τον σκοπό αυτό, καταγράφηκαν και αναλύθηκαν ανακλάσεις από ακόμα 1221 Definity και 459 biSphere μικροφυσαλίδες. ! Η πλήρης κατανόηση της αλληλεπίδρασης των μικροφυσαλίδων με τους υπερήχους μπορεί να αποτελέσει την βάση για την ανάπτυξη βελτιωμένων τεχνικών επεξεργασίας σήματος για την απεικονιστική υπεηχοτομογραφία, οι οποίες μπορούν να βελτιώσουν τις δυνατότητες των υπερήχων, και δυνητικά να μετατρέψουν τις μικροφυσαλίδες ενίσχυσης σε ένα μέσο ίασης ασθενειών.

In ultrasound contrast imaging, the discrimination between acoustic echoes from tissue and contrast microbubbles would have as a result the increase of the Contrast-to-Tissue-Ratio, improving therefore the quality of the imaging. The main idea is to differentiate the responses from those two kinds of signals based on their spectral content. The most important features of those sinusoidal signals are that they are very short in duration and than they are very likely to have many closely spaced frequency components. So, in order to achieve this target a novel Bayesian parametric spectral estimation technique has been originally designed by Yan Yan (PhD University of Edinburgh), that is supposed to have greater resolving capabilities than commonly used spectral estimation methods. The new technique uses a reversible jump Markov Chain Monte Carlo (rjMCMC) algorithm so as to identify the frequency components of a signal and it is called parametric because it assumes a model and then the problem of spectral estimation is reduced to that of estimating the parameters of the model. This new method has been initially tested with synthetic signals created in Matlab, so as to define on which parameters it depends and to extract mathematical equations that describe these dependences. And although some coarse comparisons with other techniques showed that the capabilities of this method were great, there was plenty room for improvements. Corrections in the Matlab code of this method, analysis of the code’s output in various ways so as to find which is superior, and the proposal of a new simpler model are just some of the changes that have evidently improved the method’s function. But the most important one is the completion of the amplitude estimation that was left unfinished in the past, as a complete spectral analysis implies both frequency and amplitude estimation. Now, signal reconstruction is possible and also, direct comparisons of the method’s resulting spectrum with the one of the Discrete Fourier Transform or of any other nonparametric (DFT-based) or parametric method can be made. The new version of the code has been applied apart from synthetic signals, to the real ones providing indeed information that was undisclosed in the past concerning the spectral content of those signals. However, further research is required, in order to take advantage of this information and in order to determine the exact performance and limitations of this method that remains still in experimental level. / Στην απεικόνιση με υπέρηχους όταν χρησιμοποιείται μέσο αντίθεσης, ο διαχωρισμός ανάμεσα στην ακουστική ηχώ που προέρχεται από τον ιστό και σε αυτή που προέρχεται από τo μέσο αντίθεσης όπως οι μικροφυσαλίδες, θα μπορούσε να έχει σαν αποτέλεσμα τη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας. Η βασική ιδέα είναι να διαφοροποιηθούν οι αποκρίσεις από τα δύο διαφορετικά είδη σημάτων υπερηχοτομογραφίας με βάση το φασματικό τους περιεχόμενο. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά αυτών των ημιτονοειδών σημάτων είναι ότι είναι πολύ μικρά σε χρονική διάρκεια και ότι είναι πολύ πιθανό να αποτελούνται από συχνοτικές συνιστώσες που βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους. Έτσι, για την επίτευξη αυτού του στόχου, μία καινούρια Μπαγιεσιανή παραμετρική μέθοδος για συχνοτική ανάλυση σχεδιάστηκε αρχικά από την Yan Yan (PhD Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου), η οποία θεωρητικά παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια από τις υπόλοιπες συμβατικές μεθόδους που ήδη χρησιμοποιούνται. Η τεχνική αυτή, κάνει χρήση ενός συγκεκριμένου αλγορίθμου (rjMCMC) έτσι ώστε να προσδιορίσει τις συχνοτικές συνιστώσες ενός σήματος και καλείται παραμετρική επειδή υποθέτει ένα αρχικό μοντέλο και στη συνέχεια «υποβιβάζει» το πρόβλημα της συχνοτικής ανάλυσης σε ένα πιο απλό, όπως αυτό του υπολογισμού των παραμέτρων του μοντέλου. Αρχικά, η μέθοδος δοκιμάστηκε σε συνθετικά σήματα, που δημιουργήθηκαν στο Matlab, ούτως ώστε να προσδιοριστούν οι παράμετροι από τις οποίες εξαρτάται και να εξαχθούν μαθηματικές εξισώσεις που να περιγράφουν τις εξαρτήσεις αυτές. Αν και από τις πρώτες συγκρίσεις με άλλες μεθόδους ήταν φανερό ότι η συγκεκριμένη έχει πολύ μεγάλες δυνατότητες, υπήρχαν πολλά περιθώρια βελτίωσης. Διορθώσεις στον κώδικα Matlab της μεθόδου, ανάλυση της εξόδου του με διάφορους τρόπους με σκοπό να προσδιοριστεί ο πιο αποτελεσματικός και η πρόταση ενός νέου πιο απλού μοντέλου είναι κάποιες από τις αλλαγές που αποδεδειγμένα βελτίωσαν τη λειτουργία της μεθόδου. Αλλά η πιο σημαντική αλλαγή είναι η ολοκλήρωση του κώδικα έτσι ώστε να περιλαμβάνει και προσδιορισμό των πλατών που αντιστοιχούν σε κάθε μια συχνότητα. Ο κώδικας για την εκτίμηση των πλατών αν και προϋπήρχε ως ένα βαθμό, δεν είχε ενσωματωθεί στον κυρίως κώδικα και έτσι η μέθοδος δεν μπορούσε να χαρακτηριστεί ολοκληρωμένη. Τώρα η ανακατασκευή σήματος είναι εφικτή καθώς και οι άμεσες συγκρίσεις του φάσματος της μεθόδου με το αντίστοιχο που προκύπτει από τον διακριτό μετασχηματισμό Fourier ή από άλλες μη παραμετρικές και παραμετρικές μεθόδους. Η καινούρια έκδοση του κώδικα εφαρμόστηκε, εκτός από τα συνθετικά σήματα, στα πραγματικά σήματα παρέχοντας πράγματι πληροφορίες που δεν είχαν φανερωθεί στο παρελθόν, σχετικά με το φασματικό περιεχόμενο των σημάτων αυτών. Ωστόσο, περαιτέρω έρευνα απαιτείται για να αξιοποιηθούν οι πληροφορίες αυτές αλλά και για να προσδιοριστούν οι ακριβείς περιορισμοί και οι επιδόσεις της μεθόδου που ακόμα και τώρα παραμένει σε πειραματικό στάδιο.