Resumen de Composición de imágenes ultrasónicas en ángulo completo para la detección de cáncer de mama
- español
Actualmente, los exámenes ecográficos manuales no se emplean sistemáticamente en programas de cribado de cáncer de mama debido a la ausencia de automatización y repetitividad. Los equipos experimentales de tomografía ultrasónica multimodal subsanarían estas limitaciones, a la vez que mejorarían las características intrínsecas de la imagen ecográfica, tales como la resolución espacial, el contraste y la pérdida de calidad en general que se produce a medida que se profundiza en el tejido debido a fenómenos de absorción y dispersión del haz ultrasónico.
Estos nuevos sistemas de imagen consisten en una camilla que permiten a la paciente yacer boca abajo (decúbito prono) y situar la mama a examinar en un tanque de agua. En su interior, un anillo de transductores, con capacidad de desplazarme verticalmente, rodea a la mama. En particular, para la modalidad empleada en este trabajo, se adquieren imágenes ecográficas convencionales o ultrasónicas en pulso-eco desde aperturas distribuidas regularmente en torno al anillo. La composición espacial de todas ellas da lugar a un tomograma de reflectividad que se ha denominado composición circular.
Esta tesis doctoral pretende determinar la calidad de este tipo de imagen en función de las características del sistema de imagen, y proponer un método de composición sin distorsiones debidas a la refracción agua-tejido.
Para caracterizar este tipo de imagen se ha desarrollado un modelo derivado de la simulación en ¿onda pulsada¿ empleada en ecografía convencional. El modelo permite predecir las mejoras de resolución espacial, su isotropía y homogeneidad respecto a la ecografía. A la vez, permite observar el efecto del tamaño de la apertura y el radio del anillo de transductores sobre estos parámetros.
Este tipo de imagen requiere corregir las distorsiones producidas por refracción en la interfaz entre el agua del tanque y el tejido, debidas a la diferencia en la velocidad de propagación. Para ello, se ha recurrido a estimaciones de la velocidad, basadas en la correlación y algoritmos de autoenfoque sobre las adquisiciones empleadas para la composición circular. Esto supone una solución alternativa a las ya planteadas, que exigen adquisiciones, dispositivos y métodos numéricos adicionales. Por su parte, la caracterización de la interfaz global al contorno de la mama permite considerar la anatomía para optimizar el ajuste, a la vez que garantiza la corrección coherente de los haces emitidos desde diferentes aperturas.
Los métodos propuestos se han verificado en un prototipo experimental desarrollado en el grupo de investigación que ha permitido el desarrollo de esta tesis. La resolución espacial, sensibilidad y homogeneidad obtenidos por el modelo simplificado de composición circular se replicaron con una aguja de acero. La corrección de la distorsión por refracción en la composición circular se verificó con un maniquí de entrenamiento para biopsias
- English
This PhD. dissertation addresses the quality of the spatial composition of echographic images acquired along a circumference, as a function of the imaging system parameters, and defines a compounding method to avoid artefacts due to the refraction between water-tissue.
This work was developed as part of the design of a multimodal ultrasonic tomogprah, aimed to provide an alternative for breast cancer screening. Such equipment will consist on a bed where patients lie in face-down or prone position, while the breast to be examined is placed in a water vessel. Inside the vessel, a transducer ring encircling the breast can be precisely driven, from top to bottom, along the sagittal plane of the breast, to acquire tomograms or coronal plane images. The modality considered in this work result from the spatial compounding of conventional echographies or pulse-echo ultrasonic images, acquired from apertures placed along the ring. The resulting tomogram is designated as circular composition.
One of the aims of designing ultrasonic tomographs is to provide automation and repeatability to currently hand-made echographic examinations. In fact, several ultrasonic scanners currently on the market provide repetitivity and therefore, the ability to monitor the evolutions of lesions.
However, ultrasonic tomographs currently under development in multiple research groups, as the one presented in this work, provide significative additional enhancements. Firstly, human intervention is reduced at a minimum. Secondly, echography quality standards, which currently relegate this imaging technique to a secondary resource in breast cancer screening programs, will be boosted. These are spatial resolution, contrast and the quality degradation with image depth, due to ultrasonic beam propagation through tissues, where absorption and scattering processes are observed.
In this context, a simulation model derived from the pulse-wave one used for conventional echography, has been proposed. Thus, spatial resolution, its isotropy and homogeneity improvements on circular composition images are anticipated. At the same time, simulations have shown the effect of the aperture size and the radius of the transducer ring over these quality parameters.
Moreover, the difference between speed of sound in coupling water and breast tissues yield into non-negligible artefacts at the two-media interface on circular compositions, when refraction is not considered. This problem is usually solved with alternative imaging modalities, such as speed and attenuation maps, which demand complementary transmission acquisitions. To achieve them, additional apparatus (mirrors, transducers) and recursive high-demanding processing numeric methods are required.
To overcome these drawbacks, the mean value of speed of sound of imaged breast tissues is estimated, employing the same pulse-echo acquisitions and echographic images used for the final composition. This method can be decomposed in two phases: The first step is based on the correlation of overlapped steering beams, acquired from opposed apertures. The second step applies auto-focusing methods based on sharpness metrics of the circular composition. The simplification of the heterogenous speed of sound into the mean value is sufficient for the circular composition modality.
Additionally, the breast section perimeter has been fully described, guaranteeing coherent refraction computation along the interface, even for steering beams from adjacent apertures. This adjustment considers breast anatomy, thus achieving more robustness.
Finally, dissertation ends with the experimental verification of the proposed methods, by means of the experimental prototype developed by the research group where this work was achieved. A steel nail was used to obtain experimental measures of spatial resolution, homogeneity and sensitivity, advanced by the simplified model of circular composition. The proposed method of circular composition was demonstrated with a breast phantom for biopsy trials
