Thermo-responsive ultrasound imaging: modeling and preliminary results

Abstract

O ultrassom é uma onda mecânica, com frequência acima da gama audível pelo ouvido humano, e que pode ser usada para formação de imagens, como é exemplo as ultrassonografias. A ultrassonografia convencional é uma modalidade de imagem não-invasiva aparentemente sem efeitos secundários. Além disso é de baixo custo, versátil e dada a sua simplicidade pode ser adquirida em tempo real. No entanto, a sua resolução espacial fica aquém de imagens obtidas por outras técnicas, como por exemplo a ressonância magnética nuclear (Magnetic Ressonance Imaging-MRI). No sentido de desenvolver técnicas de imagem que incluam as vantagens do ultrassom, aliadas a uma boa qualidade de imagem, diversas variantes de ultrassonografia convencional têem sido propostas nos últimos 20 anos, como por exemplo, o caso da elastografia. A motivação deste trabalho centra-se na melhoria na qualidade de imagem por ultrassom, através da análise da variação de intensidade de escala de cinzentos em imagens convencionais, quando um meio é sujeito a uma variação de temperatura. A literatura reporta que mudanças monotónicas da energia de retro-espalhada (Changes in Backscattered Energy- CBE) ocorrem com a temperatura, e que essas mudanças dependem do tipo de espalhador (meio). Mais precisamente, é reportado que meios compostos por espalhadores do tipo aquoso resultam em curvas de CBE que decrescem com a temperatura, e que meios compostos por espalhadores do tipo lipídico resultam em curvas de CBE crescentes com a temperatura. vii viii Deste modo, o objectivo primário desta tese é averiguar a hipótese que as CBE devido a variações de temperatura, propagam-se através da ”pipeline” (em toda a sequência) de processamento nos equipamentos de ultrassom convencionais e são perceptíveis ao nível da imagem final, tornando possível a extração de informação sobre o meio em análise e que poderá resultar numa melhoria da qualidade da imagem. Consequentemente, o outro objectivo da tese é averiguar se a informação extraída da dinâmica da relação temperatura intensidade para cada pixel resulta em imagens de melhor qualidade. Para avaliar a anterior hipótese, recorre-se a um programa de elementos finitos, o COMSOL Multiphysics, onde é simulado o aquecimento do meio por duas abordagens diferentes: uma que envolve a reprodução de um arranjo experimental real e que consiste na implementação de uma variação de temperatura gradual usando a circulação de água por uma espira de cobre; e outra onde se simula o aquecimento rápido por ultrassom, usado normalmente em terapia. Foi acoplado ao modelo de aquecimento desenvolvido, um modelo construído de raiz que permitiu simular as CBE para diferentes tipos de meios. Por forma a cumprir o segundo objectivo, isto é, a formação de novas imagens a partir das relações temperatura-intensidade para cada pixel, foram ajustados modelos polinomiais e de correlação à relação temperatura-intensidade do ultrassom. Parâmetros dos modelos foram posteriormente representados para cada pixel formando imagens. As imagens, representam, portanto, a densidade de cada espalhador e a variação velocidade de som, com a temperatura em cada ponto do meio. Os resultados das simulações comparados com as imagens reais levaram a concluir que, de facto, as CBE em função da temperatura propagam-se pelo ”pipeline” dos equipamentos de ultrassom e que através do processamento de imagens convencionais se pode extrair informação a seu respeito analisando as variações de intensidade de cada pixel. Consequentemente, estas variações podem ser modeladas e representadas para cada pixel, formando o que nesta tese chamamos de imagens ”termo-responsivas”. Foi possível noix tar que a nova metodologia permite a obtenção de imagens mais sensíveis com textura melhorada do que a imagem de ultrassom convencional. No decorrer do trabalho verificaram-se curvas de intensidade das imagens reais para além do que era previsto pelo modelo teórico, sendo que estas continham oscilações de frequência bem definida. Tirando partido desta informação foi ajustado mais um modelo para incluir estas oscilações e também a tendência fundamental. O modelo considerado permite a identificação de sistemas lineares e invariantes (LTI) através do ajuste de uma função transferência de segunda ordem, caracterizada por dois parâmetros fundamentais: a frequência natural não amortecida (para captar as oscilações) e o fator de amortecimento (para captar a tendência crescente ou decrescente). Deste modo, foi possível criar mais dois tipos de imagem. As imagens criadas a partir da frequência natural não amortecida parecem enaltecer as interfaces entre as diferentes estruturas, ou seja, as oscilações parecem ocorrer na transição entre os meios. Por outro lado, o fator de amortecimento resulta numa melhor identificação da dinâmica da variação de intensidade, resultando em imagens mais detalhadas. No entanto, será necessário mais investigação sobre estas oscilações que não são contempladas pelo modelo atual de CBE. No seguimento do trabalho também serão realizadas novas experiências para consolidar o conhecimento entre as imagens termo-responsivas e variações de densidade. Esta investigação ficará para trabalho futuro. Palavras-Chave: Ultrassom, Mudança na Energia de Retroespalhamento, Modelo Numérico, Simulação.