Simulação 2D para o phantom CIRS 040

São apresentados os resultados obtidos para a simulação com o phantom bidimensional da CIRS, modelo 040, em uma simulação sem distorção na grade

computacional para o caso de um transdutor ressonando na frequência central de 3,5 MHz; a máxima frequência suportada pela grade computacional é de 15 MHz. Para as imagens apresentadas, vale ressaltar que a profundidade do foco é de 5 cm. É interessante, ao observar estes resultados, verificar a dimensão das estruturas pontuais: A, B, C, D e E (descritas no Capítulo 4), pois, de maneira qualitativa, é possível verificar que quanto menor sua dimensão na imagem, melhor a resolução lateral da mesma, o que é modificado entre uma imagem e outra de acordo com a técnica empregada. De acordo com o phantom simulado, mostrado na Figura 4.7, é possível verificar duas regiões com estruturas designadas pela letra A. Nas imagens apresentadas nesta seção, apenas as estruturas A que estão mais próximas do ponto focal é que poderão ser visualizadas na imagem reconstruída.

Na Figura 5.20 pode-se visualizar a imagem em Modo-B.

Figura 5.20 – Imagem reconstruída em Modo-B. Em destaque as regiões A, C e F do phantom,

Na Figura 5.21 pode-se visualizar a imagem reconstruída utilizando a técnica de imagem harmônica THI.

Figura 5.21 – Imagem reconstruída com a técnica de THI. Em destaque as regiões A, C e F do phantom,

Na Figura 5.22 pode-se visualizar a imagem reconstruída utilizando a técnica de imagem harmônica PIHI.

Figura 5.22 – Imagem reconstruída com a técnica de PIHI. Em destaque as regiões A, C e F do phantom, respectivamente, retângulos em amarelo, branco e verde. (Fonte: Autora).

Na Figura 5.23 pode-se visualizar a imagem reconstruída utilizando a técnica de composição espacial de quadros em Modo-B com ∆θ=2,5°.

Figura 5.23 – Imagem reconstruída com a técnica de composição espacial de quadros em Modo-B com

∆θ=2,5°. Em destaque as regiões A, C e F do phantom, respectivamente, retângulos em amarelo, branco e verde. (Fonte: Autora).

Na Figura 5.24 pode-se visualizar a imagem reconstruída utilizando a técnica de composição espacial de quadros harmônicos com ∆θ=2,5°.

Figura 5.24 – Imagem reconstruída com a técnica de composição espacial de quadros harmônicos com

∆θ=2,5°. Em destaque as regiões A, C e F do phantom, respectivamente, retângulos em amarelo, branco e verde. (Fonte: Autora).

Como se pode observar na imagem da Figura 5.20, que é a imagem em Modo-B convencional, as estruturas do Grupo C não preservam a dimensão em função da profundidade, indicando uma perda de resolução espacial. Isso ocorre também para a imagem de composição espacial de quadros em Modo-B (Figura 5.23) mas não ocorre no caso das imagens harmônicas THI (Figura 5.21), PIHI (Figura 5.22) e CEIH (Figura 5.24). Essa região (C) está indicada pelo retângulo branco nestas imagens.

A mesma análise comparativa entre as imagens em Modo-B convencional e as das técnicas aqui apresentadas e discutidas pode ser feita para a região A marcada em amarelo nas figuras. Verifica-se claramente a definição precisa dos alvos (2 primeiros alvos separados por 1 mm e a separação de 2mm entre o segundo e o último alvos) nas imagens harmônicas (Figura 5.21 e 5.22) e composição harmônica (Figura 5.24), enquanto que nas imagens Modo-B (Figura 5.20) e CEI (Figura 5.23), há perda de resolução nestas estruturas.

Outra diferença substancial entre as técnicas descritas, pode ser observada próximo da região de 4 cm a partir da face do transdutor, marcada em verde nas figuras. Nesta distância, há uma estrutura de um cisto anecóicos (Grupo F, ver descrição do phantom no Capítulo 4). Pode-se ver o que é identificado como um cisto anecóicos nas imagens harmônicas (THI e PIHI) e na composição de espacial de quadros harmônicos (CEIH), o que não pode ser observado nas imagens em Modo-B convencional ou nas imagens de composição de quadros em Modo-B.

Outro aspecto importante a ser observado é que há clara redução de speckle (aspecto granuloso) em ambas as imagens compostas (CEI e CEIH).

De maneira geral, para as simulações apresentadas, os resultados obtidos com a técnica de imagem harmônica por inversão de pulso (implementada com o filtro passa faixas centrado na primeira harmônica) são encorajadores e apresentam bom desempenho, porém, essa técnica possui uma desvantagem, que é a necessidade de transmissão de dois pulsos, levando naturalmente, à queda do frame rate pela metade, sendo este um importante fator a ser considerado em uma implementação prática real, além de processamento extra para correção de artefatos de movimento.

Apesar da técnica de composição espacial com 9 quadros apresentar melhores resultados em alguns casos, a utilização da técnica composição espacial de 5 quadros pode ser mais atrativa porque obtém-se resultados semelhantes (ligeiramente inferiores) para as métricas avaliadas e apresenta menor redução do frame rate. Contudo, ainda deve ser ressaltado que há uma redução do frame rate em 1/5, tornando possível que outra técnica seja mais vantajosa, dependendo da aplicação.

Os resultados das simulações empregadas, indicam que existem muitas formas de melhorar a qualidade de imagens de ultrassom por meio de técnicas de processamento destes sinais. Entretanto, sabe-se que os sinais de excitação também irão influenciar nos resultados obtidos. Desta forma, é interessante fazer o casamento destas informações para mapear as características adequadas de excitação do transdutor, beamforming de transmissão e de recepção, técnica de processamento para cada aplicação, ou pelo menos, para as mais usuais.

É sabido que existe a chamada focalização dinâmica nos equipamentos comerciais. Neste trabalho, devido ao número excessivo de simulações para as diferentes técnicas utilizadas, implementar a focalização dinâmica levaria a grande aumento de tempo de processamento. Optou-se, portanto, por manter a focalização fixa em 2 cm (para o phantom com 3 esferas) e de 5 cm para o phantom da CIRS, embora com possíveis perdas de informação e provavelmente variação de SNRc e CNRc para diferentes estruturas do phantom 3D.

6 CONCLUSÃO

No presente trabalho foi exibido um estudo comparativo entre diferentes técnicas de processamento aplicadas na reconstrução de imagens de ultrassom simuladas: imagem harmônica tecidual (THI), imagem harmônica por inversão de pulso com e sem filtro passa-faixas centrado na primeira harmônica (PIHI), composição espacial de quadros em Modo-B (CEI) e composição espacial de quadros harmônicos (CEIH), contra a imagem convencional (reconstruída apenas em Modo-B) por meio de avaliação da SNRc e CNRc das ROIs (alvos). Também foi realizada análise qualitativa das imagens tanto de um phantom 3D quanto de uma phantom 2D.

As técnicas foram implementadas com sucesso e o estudo computacional comparativo realizado mostra que a implementação de técnicas otimizadas de processamento para a reconstrução das imagens, embora desempenhe papel relevante nos aspectos avaliados, depende muito da aplicação desejada, como por exemplo, profundidade da estrutura de interesse.

Para a simulação de 1,5 MHz, considerando os parâmetros avaliados, dentre as técnicas de composição, o melhor resultado foi obtido para a técnica de composição espacial de 5 quadros harmônicos e, quanto às imagens harmônicas, quando se deseja maior relação sinal-ruído a técnica mais indicada é de PIHI, e, quando se deseja maior relação contraste-ruído a técnica mais indicada é THI. Para a simulação de 3,5 MHz, considerando os parâmetros avaliados, dentre as técnicas de composição, o melhor resultado foi obtido para a técnica de composição espacial de 9 quadros em Modo-B. Entretanto, foi discutido que não é necessário a utilização de 9 quadros para obter resultados semelhantes, tendo em vista que ocorre grande diminuição da taxa de quadros, e isso torna a imagem obtida por composição espacial de 5 quadros mais interessante em um cenário de menor poder computacional. Já em relação às imagens harmônicas, o melhor resultado foi obtido para a técnica de PIHI.

Com este trabalho, também foi mostrado que existe a necessidade da implementação de um filtro passa-faixas para completa remoção do sinal presente

na frequência fundamental e realce do sinal presente na primeira harmônica, quando se deseja reconstruir uma imagem utilizando a técnica de PIHI, o que não fica claro na literatura. Outra contribuição deste trabalho é a utilização da composição de quadros harmônicos, que não é uma técnica utilizada, e possibilita resultados encorajadores para a sua implementação.

A implementação das técnicas previstas no Capítulo 2 (Objetivos) foi importante para mostrar as dificuldades de se melhorar a qualidade das imagens disponibilizadas para o profissional da saúde quando implementadas nos equipamentos comerciais. Espera-se que os resultados obtidos neste trabalho possam ser implementados na Plataforma Brasileira de Ultrassom em construção pela Rede Brasileira de Técnicas de Ultrassom (RBTU) liderada pela UNICAMP.

Foi publicado um artigo no decurso do mestrado da autora:

MARTINEZ, A. C.; COSTA, E. T. K-Wave Simulation of Tissue Harmonic and Pulse Inversion Harmonic Imaging. In: XXVI CONGRESSO BRASILEIRO DE

ENGENHARIA BIOMÉDICA (CBEB 2018), 25., 2018. Búzios, Brasil. Anais… Rio de Janeiro, Brasil: SBEB, 2018. p. 305-310.