Model of an ultrasound-based system for cataract detection and classification

Abstract

A catarata é uma opacidade na lente do olho que afeta a sua transparência, provocando deterioramento da visão. Atualmente, a cirurgia à catarata é o único tratamento e a facoemulsificação é a técnica mais usada para extração de catarata. Este procedimento cirúrgico utiliza energia para desintegrar a lente em pequenos pedaços que são removidos de seguida e substituídos por uma lente intraocular artificial. A dureza da catarata determina a energia ótima para o procedimento de facoemulsificação, e níveis de energia excessivos originam complicações cirúrgicas. O sistema experimental Eye Scan Ultrasound System (ESUS) é composto por uma sonda oftalmológica, um módulo responsável pela excitação da sonda e aquisição de sinal e um computador, e foi desenvolvido para a caracterização automática da catarata, fornecendo informações relativas ao tipo, severidade e dureza da catarata, e para estimar a energia ótima de facoemulsificação. O objetivo deste trabalho é modelar um sistema baseado em ultrassons para deteção e classificação de catarata, seguindo a configuração do ESUS. O modelo inclui a conversão do sinal elétrico para acústico na sonda de ultrassons, a propagação das ondas ultrassonoras no olho e a conversão do sinal acústico para elétrico novamente na sonda. Para modelar a propagação de ondas ultrassonoras, a toolbox k-Wave do MATLAB foi utilizada. Para modelar as conversões elétrico/acústico e acústico/elétrico, foram consideradas várias abordagens para estimar a resposta a impulso da sonda: modelo gamma-tone, modelo da função transferência elétrico/acústico e uma técnica de otimização.O estudo da propagação acústica de ondas ultrassonoras dentro do olho foi realizado por meio de simulações. Sinais simulados em meios 2D e 3D foram comparados, revelando que simulações 3D são mais apropriadas para uma boa aproximação aos sinais reais. Foi ainda descrito que o uso de uma resolução espacial de 8 µm representa um bom compromisso entre os recursos computacionais e a resolução necessária para representar as microestruturas associadas à catarata. A presença de microestruturas que imitam a catarata foi evidenciada nos sinais simulados. A resposta a impulso que caracteriza a sonda foi estimada com sucesso. Concluindo, o resultado das simulações está em boa concordância com os sinais reais adquiridos com o ESUS.

Cataract is an eye lens opacity that affects its transparency, leading to vision deterioration. Currently, cataract surgery is the only treatment and phacoemulsification is the most used technique to extract the cataract. This surgical procedure uses energy to disintegrate the lens into small pieces that are afterward removed and replaced by an artificial intraocular lens. The hardness of the cataract determines the optimal energy for the phacoemulsification procedure, and excessive levels of energy may lead to surgical complications. An experimental Eye Scan Ultrasound System (ESUS) is composed of an ophthalmologic probe, a module responsible for probe excitation and signal acquisition, and a computer, and it was developed for automatic cataract characterization, to provide information regarding cataracts type, severity, and hardness, and to estimate the optimal phacoemulsification energy. The objective of this work is to model an ultrasound-based system for cataract detection and classification, following the ESUS configuration. The model includes electric-to-acoustic signal conversion that occurs in the ultrasonic probe, propagation of the ultrasonic waves through the eye, and the acoustic-to-electric signal conversion again in the probe. For modeling the propagation of ultrasonic waves, the k-Wave MATLAB toolbox was used. To model the electric-to-acoustic and acoustic-to-electric conversions, several approaches for estimating the impulse response of the probe were considered: gamma-tone model, electric-to-acoustic transfer function modeling and an optimization technique. The study of the acoustic propagation of ultrasonic waves inside the eye was carried out through simulations. Simulated signals obtained for 2D and 3D media were compared, revealing that 3D simulations are more appropriate for a good approximation to real signals. It was also depicted that using a spatial resolution of 8 µm represents a good compromise between computational resources and the resolution needed for representing the microstructures associated with the cataract. The presence of cataract-mimicking microstructures was well evidenced in the simulated signals. The impulse response that characterizes the probe was successfully estimated. Concluding, the result of simulations agrees well with real signals acquired with the ESUS.