Estimativa da temperatura em phantoms de tecido biológico por meio dos valores absolutos dos níveis médios de cinza de imagens de ultrassom modo-B

Abstract

Esta Tese apresenta um método não-invasivo por ultrassom de estimativa da temperatura no interior de um phantom de tecido mole, para avaliar o aquecimento gerado por um transdutor de ultrassom de fisioterapia. Variações de temperatura do tecido biológico causam mudanças na energia do sinal de ultrassom retroespalhado que refletem nas características das imagens de US modo-B. O método que se baseia nas variações dos valores médios dos níveis de cinza de imagens de ultrassom modo-B tem sido investigado pela comunidade científica à medida que apresenta resultados promissores. Este trabalho foi desenvolvido nas seguintes etapas: caracterização dos phantoms quanto à velocidade de propagação ultrassônica longitudinal e coeficiente de atenuação em função da temperatura; avaliação do ultrassom de fisioterapia, incluindo o mapeamento do campo acústico e a calibração da potência máxima de saída; simulação do campo ultrassônico e dos mapas de aquecimento e arrefecimento do transdutor de fisioterapia no phantom simulado. Posteriormente, com base no modelo teórico de AVGL em função da temperatura e com base na equação da alteração na energia retroespalhada, foi realizada a estimativa teórica da temperatura a partir dos valores absolutos de AVGL das imagens de US do phantom. A fim de testar a função teórica de estimativa da temperatura, foram realizados ensaios experimentais de aquecimento do phantom controlado com banho maria e com medições de temperatura utilizando termopares. Por último, o modelo teórico foi aplicado em ensaios experimentais de aquecimento do phantom utilizando o equipamento de ultrassom de fisioterapia como fonte de aquecimento. Mapas espaciais dos valores absolutos de AVGL das imagens de ultrassom foram construídos. A partir desses valores de AVGL e das mudanças na energia retroespalhada recebida do phantom aquecido, foram gerados mapas espaciais de temperatura do phantom. Os referidos mapas viabilizam a avaliação do aquecimento gerado pelo ultrassom de fisioterapia no interior de um meio cujas propriedades (velocidade de propagação e coeficiente de atenuação) tenham sido caracterizadas em função da temperatura. Os resultados obtidos dão subsídios para trabalhos subsequentes no avanço da tecnologia de estimativa não-invasiva da temperatura para fins de avaliação do aquecimento gerado por equipamentos de fisioterapia por ultrassom.

This Thesis presents a non-invasive ultrasound method of estimating the temperature within a standardized soft tissue phantom during physiotherapeutic ultrasound application. Temperature variations of biological tissue cause changes in backscattered energy (CBE) that reflect on the characteristics of B-mode US images. The method that is based on changes in the gray-level content of B-mode US images has been investigated by the scientific community and has shown promising results. This work was developed in the following steps: characterization of the phantoms regarding the ultrasound group velocity and attenuation coefficient as a function of temperature; characterization of the output of ultrasonic physiotherapy equipment and measurement of the ultrasonic output power; simulation of ultrasonic field and thermal simulation generated by the physiotherapeutic ultrasound. Subsequently, based on the average value gray levels, AVGL (T) model, and based on the equation of the CBE, the temperature was estimated theoretically from the absolute values of AVGL from the B-Mode images. In order to test the theoretical function of temperature estimation, experimental tests of controlled heating of the phantom with a water bath and with temperature measurements using thermocouples were carried out. Finally, the theoretical model was applied in experimental tests of heating the phantom using the physiotherapy ultrasound equipment as a heating source. Spatial maps of the absolute AVGL values of the ultrasound images were constructed. From these AVGL values and the changes in backscattered energy received from the heated phantom, spatial maps of temperature were generated. These maps make it possible to evaluate the heating generated by a physiotherapy ultrasound inside a medium whose properties have been characterized as a function of temperature. The results obtained provide subsidies for future work in the advancement of non-invasive temperature estimation technology for the purpose of evaluating the heating generated by ultrasound physiotherapy equipment.