Tomógrafo ultrasónico Venezuela reconstruye imágenes médicas

UNIVERSIDAD CENTRAL DEVENEZUELA
FACULTADES DE CIENCIASY MEDICINA
POSTGRADO EN FÍSICA MÉDICA
Autor: Lic. Aileen Quintana R.
Tutor: Dr. Miguel Martin L.
CARACAS, 12 DE MAYO DE 2014
TRABAJO DE GRADO DE MAESTRIA
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA A PUNTO
DE UNTOMÓGRAFO POR ULTRASONIDO PARA
LA RECONSTRUCCIÓN DE IMÁGENES EN 2D

La construcción y puesta a
punto de este tomógrafo
(primero enVenezuela),
servirá de base para futuras
investigaciones no sólo en el
área de la física médica sino
que podrá quedar dedicado
para múltiples y variadas
investigaciones en el
Laboratorio de Soporte
Instrumental de la
Universidad Central de
Venezuela.

Objetivo General
Objetivo General
Diseño, construcción y puesta a
punto de un tomógrafo ultrasónico
por transmisión, su sistema de
control y los algoritmos necesarios
para la reconstrucción de imágenes
2D, con miras a su aplicación en el
área de la física médica

1.- Diseño y
construcción de
un tomógrafo
ultrasónico por
transmisión
2.- Diseño y
desarrollo del
sistema de
control del
tomógrafo
3.- Diseño y
desarrollo del
sistema de
adquisición de
datos del
tomógrafo
4.- Desarrollo
de algoritmos
para el
procesamiento
de señales de
ultrasonido
5.- Diseño y
desarrollo de
algoritmos en
MATLAB
basados en ART
para la
reconstrucción
de imágenes
2D obtenidas
del tomógrafo
de ultrasonido
Objetivos Específicos

1540m/s
(0, 1 - 25)cm
Velocidad del sonido
Atenuación
Impedancia acústica
Dispersión
Elasticidad del medio
Ventajas del ultrasonido en la medicina

Ultrasonido cardíaco
 Se observan únicamente las interfaces de los tejidos
 Las ondas reflejadas regresan al transductor, siendo
modificadas al pasar a través de las distintas interfaces
 La correlación con la imagen final se dificulta
Interés
Ultrasonido en imágenes médicas

Reconstrucción de una imagen a partir de
sus proyecciones
La imagen tomográfica se refiere a la sección transversal de un objeto obtenida a
través de los datos transmitidos al apuntar un haz ultrasónico en diferentes
direcciones
Información derivada de la energía
transmitida cuando el objeto de
estudio es iluminado en un ángulo.
Tomografía ultrasónica por transmisión

Es la representación gráfica del
conjunto de todas las proyecciones
expresadas como una matriz
índice
filas
Representa la
posición del
sensor
índice
columnas
Representa
el ángulo

Limitaciones
Requerimientos
Generales
Implicaciones
prácticas
Conclusiones y
recomendaciones
Pruebas
experimentales
Resultados
Diseño y
construcción
Justificación
Esquema de presentación

Poder hacer estudios en diversas locaciones
Dimensiones
del tomógrafo
La instrumentación y el equipo utilizado deberá ser de tan bajo
costo como sea razonablemente posible sin mermar la calidad
de la investigación
Las piezas que componen el tomógrafo deben de poder ser
reemplazables o modificables de manera sencilla y rápida
Es suficiente la reconstrucción de la imagen de un corte axial
Estandarizado y de uso común. En el caso de las imágenes
médicas, se deberá contar con el formato DICOM
Requerimientos
Kaczmarz (ART)

Sistema de
adquisición
Sensores Base móvil
Motores de
paso
sumergibles
Sistema
de
control
Tanque
Elementos que componen el sistema:
Diseño y construcción

25cm
25cm
Espesor paredes 0.6cm
3 galones de agua
Acrílico
 Bajo costo
 Fácil adquisición
 Características documentadas
 Aplicaciones en ultrasonido
 Densidad similar con el tejido
humano (Física médica)
Tanque

Emisor Receptor
 Caras opuestas del tanque
 Misma profundidad
 Colocados de manera
enfrentada
Sensores LABSI 2 sensores ultrasónicos de inmersión
Alineación: soportes
de 2cm de largo
(sostener)
 Materiales piezoeléctricos (titanato
de bario)
 Productores de ondas
longitudinales no enfocadas
 Frecuencia de 4 MHz
Sensores ultrasónicos

f(x,y)
θ2
θ1
Y
X
θ
Proyecciones paralelas
Limitación en el número de sensores

Movilización de ambas
plataformas
Sincronizada
ContínuosSuavesMotor de
paso 1
Motor de
paso 2
Movimientos
paralelos
Movimientos
rotatorios
Plataforma 1
Plataforma 2
Movimiento de los motores de paso
Realización de la imagen
Base móvil
Precisos
Dependencia en el tiempo

Emisor Receptor
25cm
25cm
Altura del corte
La altura del objeto con
respecto a la colocación
de los sensoresdefinida
Tamaño del objeto a estudiar
19cm
Limitaciones del diseño
Limitaciones de diseño de la base móvil

Plataforma 1
Plataforma 2
Movimientos
paralelos
Movimientos
rotatorios
Construcción de la base móvil

No es una condición restrictiva para el uso
del tomógrafo
Modificaciones en los
motores de paso
Permanencia en
inmersión
Revestimientos
Caucho
Silicón
Agua
Bidestilada
No conductora
Motores de paso sumergibles

Conexión: movimiento de los motores de paso - computador personal
Microcontrolador programable
Diseñado para facilitar la
integración con dispositivos
Cada motor de paso requiere de un
regulador y controlador para integrarlo
con el Arduino
Arduino
L298
C++
Interfaz de interacción
estándar y sencilla
Motores de paso Osciloscopio Pulsador Computador
Sistema de control

Pestaña
Aditamentos electrónicos
inherentes al diseño y que no
deben quedar sumergidos en
el fluido de transmisión
Sistema de control

1. Suministrar o eliminar la alimentación de
corriente a los motores de paso.
2. Mover a una posición particular la plataforma
(posición cero, centro de la base).
3. Rotar hasta el valor de un ángulo especifico.
4. Ajustar la velocidad de traslación en pasos por
segundo.
5. Ajustar la velocidad de rotación en pasos por
segundo.
6. Reiniciar a la posición inicial el sistema de
movimiento.
7. Iniciar la señal del generador de ondas.
8. Detener la señal del generador de ondas
9. Disminuir a la mitad el tamaño del paso de los
motores de paso.
Ambiente desarrolloArduino UNO
Sistema de control

Emisor Receptor
25cm
25cm
Sincronización
Sistema de control
Arduino/Controladores

Programa para la integración, recepción y formación de
las imágenes
 Movilización de la base móvil del
tomógrafo
 Almacenamiento de la información
adquirida
 Generación del sinograma en tiempo real
 Reconstrucción de la imagen
 Almacenamiento de la imagen en distintos
formatos incluyendo DICOM
Matlab ® (R2012b)
Sistema de adquisición de datos

Gráfico:VoltajeVsTiempo
(Onda transmitida) Gráfico: proyecciones
Sinograma
Interfaz para el
usuario
Sistema de adquisición de datos

Computador
Osciloscopio
Generador de
onda
Controladores (L298)
Sensor
Receptor
Sensor
Emisor
Barómetro
Termómetro
(Ambiente)
Amplificador Termómetro (Agua)
Base Móvil
Arte final del tomógrafo ultrasónico

Comprobación experimental
Reconstrucción
de las
imágenes
Kaczmarz (ART)
Landweber (ART)
Retroproyección
filtrada
Reconstrucción para las imágenes obtenidas del tomógrafo utilizando el
algoritmo de Kaczmarz

Comprobación de los algoritmos Siddon
Genera un
sinograma a
partir de una
imagen
sintética
Se crearon imágenes Sinograma sintético
Reconstrucción de
las imágenes
Comprobación experimental

Cuboide de madera
Atenuación total de la onda transmitida
Descripción
•Alto: 4cm
•Largo: 2,7cm
•Ancho: 1,2cm
Propiedades de la medición Valor
Número de Rotaciones (proyecciones) 20
Número de traslaciones (muestras) 75
Atenuación de referencia (V) 4,3
Límite izquierdo (pasos) -150
Límite derecho (pasos) 150
PRF (Hz) 1000
Temperatura ambiental 21,9ºC
Presión ambiental 912,4hPa
Temperatura del agua 22ºC
Resultados

Resultados
Cuboide de madera
Objeto de estudio Sinograma Retroproyección Landweber Kaczmarz
Imagen sintética Sinograma
sintético
Retroproyección Landweber Kaczmarz

Dos medio cilindros
Descripción
• Altura:4cm
• Radio: 0,6cm
PRF (Hz) 1000
Acrílico
Resultados

Resultados
sintético
Dos medio cilindros

Resultados
Parafina líquida Molde cilíndrico Muestra orgánica
Primer paso Segundo paso Tercer paso
Pulmón de un ave incrustado en cilindro de parafina

Resultados
Descripción
• Altura: 3,8cm
• Diámetro: 2,5cm
PRF (Hz) 1000
Temperatura del agua 22,5ºC

Resultados
sintético

Resultados
Retroproyección
(Objeto de estudio)
Retroproyección
(Imagen sintética)

Construcción de los contenedores de parafina para diversos órganos
Resultados

Resultados
Descripción
• Ancho del contenedor sin la
muestra: 0,6cm
• Ancho medio del contenedor
incluyendo la muestra (corte
sagital del corazón): 1cm
• Largo del contenedor: 6,9cm
• Alto del contenedor: 9cm
PRF (Hz) 1000
Corazón de ave

Resultados
sintético
Corazón de ave

Conclusiones
 Se lograron la totalidad de los objetivos propuestos en este trabajo a pesar de las
limitaciones en cuanto a disponibilidad de partes mecánicas, electrónicas y demás
materiales empleados en la construcción de este prototipo, aunadas a las dificultades
relacionadas con el recurso humano, financiamiento y el tiempo disponible.
 La puesta en funcionamiento de este primer prototipo de tomógrafo ultrasónico; será
un punto de apoyo para futuras investigaciones en la física médica y otras disciplinas.
Representa una base para que se realicen mejoras al equipo y a sus algoritmos de
reconstrucción de imágenes que permitirán a futuros investigadores innovar en este
campo de la ciencia.
 Con la finalidad de ampliar los horizontes del proyecto, se agregaron dos algoritmos
más, uno de ellos del tipoART (Landweber) y el algoritmo de retroproyección filtrada,
siendo este último con el que mejores resultados se obtuvieron.

Conclusiones
 Tanto el software como el diseño del tomógrafo quedaron
abiertos a las modificaciones y mejoras, que se deseen
realizar para ajustar este prototipo a nuevos
requerimientos.
 No fue posible obtener imágenes de objetos con
profundidades mayores a 3cm. Se presume que la
frecuencia natural de los transductores utilizados y la
separación entre los mismos son las variables más
importantes de esta limitación.
 El número limitado de transductores (dos en este prototipo) y la baja velocidad de
transmisión del osciloscopio (9600 baudios) son la causa de los altos tiempos de
adquisición de datos. El emplear un mayor número de transductores en el arreglo
evitará la necesidad del movimiento de translación del objeto en estudio. Al
aumentar la velocidad de adquisición de los datos desde el osciloscopio se
disminuiría considerablemente el tiempo de adquisición.

Conclusiones
 El algoritmo de retroproyección filtrada es la técnica de reconstrucción de imágenes
recomendada para el uso de este tomógrafo ultrasónico, debido al diseño y al
funcionamiento del mismo. Cuando el conjunto de medidas son igualmente espaciadas y
cubren el intervalo [0, 180), se espera que los algoritmos de retroproyección filtrada
produzcan mejores resultados. Adicionalmente, el uso del filtro del algoritmo, mostró un
suavizado que en este caso, mejora la calidad de la imagen.
 De los casos estudiados en este trabajo, se observa una relación directa entre el número
de medidas, el tiempo de la adquisición de los datos y la calidad de la imagen formada. A
un mayor un número de medidas, se obtienen mejoras en los detalles de la imagen
obtenida pero aumenta el tiempo para la adquisición de sus datos.

Recomendaciones
 Adquirir o dedicar tiempo a la construcción de un detector de pico ultrasónico y un
pulsador de ondas ultrasónicas que sustituyan al osciloscopio y al generador de ondas
respectivamente, que cumplan con las necesidades del tomógrafo. De esta manera no
será necesario compartir los instrumentos de este prototipo con los del laboratorio.
Además, al estar estos instrumentos embebidos, el tomógrafo será transportable en su
totalidad y no por partes separadas.
 Realizar una caracterización experimental del tomógrafo ultrasónico, esto implica
caracterizar los sensores, los elementos que componen el tanque, la formación de las
imágenes y todo tipo de información que permita a los futuros usuarios contar con las
especificaciones técnicas de este tomógrafo, como por ejemplo la resolución que se
puede obtener con este prototipo.
En cuanto a las partes:

Recomendaciones
 Realizar mejoras que permitan la colocación de los motores de paso fuera del
tanque, ya que ellos representan una de las piezas que necesitan de mayor
mantenimiento debido a que están sumergidos en el agua.
 Realizar mejoras en la base móvil que permitan ajustar la altura de la plataforma de
rotación para tener mayor control del corte de la imagen que se desea obtener.
En cuanto al diseño :

Recomendaciones
 Estudiar la posibilidad de agregar información (metadatos) a la imagen reconstruida,
como por ejemplo, nombre de la muestra, la fecha y hora de la realización del estudio,
nombre de la persona que realiza el estudio, datos de obtención de la imagen que
fueron colocados en el software de captura de la data, temperatura, presión etc, todo
tipo de información contemplada y no contemplada en este trabajo de grado que se
considere necesaria para un tipo de investigación en particular, al momento del
almacenamiento de la imagen.
 Desarrollar otros algoritmos de reconstrucción de imágenes, de forma que se pueda
contar con grupo amplio de herramientas que permitan trabajar sobre los datos
adquiridos con el tomógrafo.
En cuanto a los algoritmos:

Recomendaciones
 Realizar más estudios comparativos con
diversas muestras y algoritmos.
 Agregar un grado de libertad más al sistema, es decir, con la inserción de un tercer
motor de paso se podrán incluso obtener estudios imagenológicos en 3D, realizando
claro esta, los cambios correspondientes en los algoritmos que conforman este
prototipo.
 Estudiar la viabilidad de cambiar los sensores ultrasónicos dependiendo del objeto a
estudiar en aras de mejorar la resolución de las imágenes que se desean obtener o
mejorar el poder de penetración de los sensores.
En cuanto a futuros desarrollos
del prototipo:

Recomendaciones
 Solicitar los recursos financieros necesarios para la mejora de los componentes del
tomógrafo.
 Incorporar al proyecto un grupo de profesionales especializados en distintas áreas,
para desarrollar todo el potencial del equipo tomográfico. Este equipo deberá contar
al menos con, un ingeniero mecatrónico, un ingeniero de software y un físico médico.

Este enfoque consiste en
suponer que la sección
transversal se compone de
una matriz de incógnitas
Técnicas algebraicas
Luego crear las ecuaciones
algebraicas para estas
incógnitas en base a las
medidas de los datos de cada
proyección.

X11 X12 X13
X21 X22 X23
X31 X32 X33
𝑗
𝑁
𝐴𝑖𝑗 𝑋𝑖 = 𝑏𝑖
Sumatoria de las atenuaciones
de todos los puntos (pixel) en el
camino del rayo
Imagen
Matriz de
atenuación
Perfil
E
R
Sinograma

Equivalen a cero en
aquellas celdas que no
contribuyan con la suma
de los rayos.
E
R
𝐴𝑖𝑗 =
𝑖
𝑁
1 si el rayo intercepta el pixel
0 caso contrario

𝑗
9
A11 A12 … A19
A21 A22 … A29
…
…
…
…
A91 A92 … A99
P1
P2
…
P9
N = M
N x M Incógnitas
Suponiendo 60 grados por
cada medida (3 medidas
en total, 3 sensores)
...
...
...
...
...
9x9 9x1 9x1
𝐴11 𝑋1 + 𝐴12 𝑋2 + … + 𝐴39 𝑋9 = 𝑃1
𝐴21 𝑋1 + 𝐴22 𝑋2 + … + 𝐴29 𝑋9 = 𝑃2
𝐴91 𝑋1 + 𝐴92 𝑋2 + … + 𝐴99 𝑋9 = 𝑃9
X1
X2…
X9

P1
P2
P3
…
P9
P1 P4 P7
P2 P5 P8
P3 P6 P9
Sinograma
60°0° 120° 60°0° 120°

Aplicaciones prácticas del ultrasonido
Ultrasonido en la medicina
Un proceso de detección o
medición del ultrasonido
“Mapear" la geometría
La caracterización de los tejidos se puede
centrar en el análisis en las propiedades
reflectivas del tejido.
Transmisor
Receptor 1
Receptor 2
Tejido
Eco-pulsado
Tomografía ultrasónica
por transmisión
Esquema
Distribución de las ondas ultrasónicas a
través del tejido humano
Energía que pasa a
través del tejido
Energía acústica
absorbida
Energía dispersada en
diferentes direcciones

Este enfoque consiste en
suponer que la sección
transversal se compone de una
matriz de incógnitas
Luego crear las ecuaciones
algebraicas para estas incógnitas en
base a las medidas de los datos de
cada proyección.

Si pi es la suma de los rayos en
el i-ésimo rayo, la relación entre
los elementos fj y pi puede ser
expresada como sigue:
donde M es el numero total de rayos
(en todas las proyecciones) y wij es un
factor de peso que representa la
contribución en la j-ésima celda por el i-
ésimo rayo.

Imagen y representación de proyecciones
La ecuación de la líneas AB
definir la integral de línea P (t)θ
Transformada de Radon de la función f(x,y)
y usando la función delta esta ecuación
se puede reescribir como

Cuando M y N son valores pequeños, es posible resolver el
sistema de ecuaciones utilizando cualquier método
tradicional de inversión de matrices
Método de inversión de matrices un método computacionalmente impráctico
Imágenes medicas 256 x 256 pixeles N = 65,000
M = 65,000
Matriz [wij ] 65,000 x 65,000 elementos

Se emplean métodos iterativos para
resolver este tipo de sistemas de
ecuaciones.
Landweber
Kaczmarz
Mínimos
cuadrados
Técnicas algebraicas Técnicas analíticas
El fundamento de los métodos de
reconstrucción analíticos es la
transformada de Radon
Los métodos analíticos recurren a la
aplicación de filtros en el espacio de
frecuencia y/o directamente a la
imagen.
Reconstrucción
directa por Fourier
Retroproyección
convolucionada
Retroproyección filtrada

Tomografía ultrasónica Tomografía de rayos X
La atenuación producto de la iluminación del objeto puede ser estimada midiendo la
energía saliente del objeto.
Ultrasonido Rayos X Propagación es mucho mas lenta
Medir la presión exacta de la onda
como una función del tiempo
De estas dos mediciones se puede estimar el coeficiente de atenuación y el índice
de refracción de un objeto

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