Imaging diagnostico ad ultrasuoni ad alto frame-rate: tecniche e applicazioni

Università degli studi di Pavia

Dipartimento di ingegneria industriale e dell’informazione

Corso di laurea in bioingegneria

Imaging diagnostico ad ultrasuoni ad alto frame-rate: tecniche e applicazioni

Relatore: Prof.ssa Giulia Matrone

Tesi di laurea di Giovanni Serravezza

Anno accademico 2020/2021

Indice

1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Imaging ad ultrasuoni ad alto frame-rate . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Tecniche per aumentare il frame-rate . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.1 Multi-line acquisition (MLA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2 Multi-line transmission (MLT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.3 Plane e diverging wave imaging . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.4 Confronto tra le diverse tecniche . . . . . . . . . . . . . . . 17

4 Applicazioni dell’imaging ad ultrasuoni ad alto frame-rate . . . . 18

4.1 Imaging Doppler ultraveloce . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Shear wave elastography (SWE) . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.1 Modalità di generazione delle onde di taglio . . . 21

4.2.2 Nascita e importanza della SWE . . . . . . . . . . 23

5 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6 Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

7 Siti Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

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Introduzione 2

Capitolo 1

1. Introduzione

L’imaging ad ultrasuoni è considerata una tecnologia di estrema importanza nel campo della diagnostica per immagini. I punti di forza dell’ecografia sono rappresentati dalla possibilità di rilevare la dinamica del movimento degli organi e i dettagli del flusso sanguigno, il tutto in tempo reale; inoltre, gli ultrasuoni non hanno proprietà ionizzanti e rappresentano una tecnologia accessibile ad un costo relativamente basso rispetto ad altri sistemi di imaging diagnostico. Queste caratteristiche hanno fatto dell’ecografia uno strumento che ha avuto una grande diffusione e un grande impatto clinico nei diversi settori della medicina. La diagnostica ad ultrasuoni è infatti usata di routine in cardiologia, internistica, ostetricia, ginecologia, come esame di base o filtro rispetto a tecniche di imaging più complesse quali ad esempio la TAC.

La tecnologia che si avvale degli ultrasuoni è in continua evoluzione e in un futuro prossimo permetterà di compiere grandi passi in avanti nel campo dello screening, della diagnosi e della chirurgia: aumentano le capacità di diagnosi, la qualità dell’immagine, si riducono i costi e aumenta la facilità con cui utilizzare un’apparecchiatura. La combinazione tra la continua evoluzione tecnologica e la migliore conoscenza degli effetti di interazione tra tessuti ed ultrasuoni, sta portando all’implementazione di sistemi di analisi del segnale sempre più complessi, ma sempre più efficaci.

Negli ultimi decenni, infatti, grazie allo sviluppo incessante della tecnologia, sono state sviluppate molte innovazioni nel campo dell’imaging ad ultrasuoni. Ad esempio, lo sviluppo dei microprocessori ha permesso l’imaging in tempo reale, mentre l’introduzione a basso costo dei convertitori Analogico/Digitali (A/D) ha portato alla completa digitalizzazione dei sistemi con il conseguente aumento della qualità delle informazioni fornite [1].

Introduzione 3

Al giorno d’oggi, grazie alle nuove unità di elaborazione grafiche (GPU) affiancate alle CPU multicore, si dispone di una grande capacità di calcolo parallelo, la quale permette di avere dei sistemi in cui l’elaborazione dell’immagine è basata completamente sul software (Tabella 1). Questa nuova architettura ha aperto la strada verso l’imaging ad ultrasuoni ad alto frame-rate.

Tabella 1: cronologia dello sviluppo dell’imaging ad ultrasuoni e tecnologie che ne hanno permesso l’implementazione. Tratto da [2].

Capitolo 2

2. Imaging ad ultrasuoni ad alto frame-rate

La generazione di un’immagine ad ultrasuoni avviene trasmettendo un impulso ultrasonoro nel mezzo e ricevendo il segnale di eco causato dalla parziale riflessione dell’onda quando questa incontra superfici di separazione tra tessuti con proprietà diverse. L’informazione contenuta negli echi viene utilizzata per ricostruire l’immagine. Una tipica immagine 2D è composta da alcune decine o centinaia di linee. Le onde ultrasonore utilizzate in campo diagnostico hanno frequenze tipicamente nel range 1-20 MHz.

In qualsiasi modalità di imaging ecografico, il frame-rate dipende dal tempo che il fascio ultrasonoro impiega per essere trasmesso e ricevuto dal trasduttore e dalla conseguente elaborazione dei segnali di eco che ritornano dal mezzo insonificato. Questo procedimento viene ripetuto per tutte le linee dell’immagine e il tempo impiegato per acquisire un’immagine 2D è dato quindi dalla seguente formula [1]: ∙2∙ = (1) dove Z è la profondità, c la velocità dell’onda ad ultrasuoni che consideriamo costante (~1540 m/s nei tessuti molli) e N il numero di linee di scansione che costituiscono lines l’immagine. Il frame-rate è definito come: 1 = (2) In alcune applicazioni in cui è richiesta l’analisi di piccoli movimenti o nelle quali il numero di linee dell’immagine è molto alto, come avviene nell’immagini 3D/4D, è richiesto un frame-rate più alto.

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Imaging ad ultrasuoni ad alto frame-rate 5

Con l’avvento dei sistemi digitali e la continua miniaturizzazione delle componenti elettroniche è stato possibile eseguire la ricostruzione dell’immagine su piattaforme basate completamente sul software. Questi sistemi di imaging, chiamati “ultrafast”, permettono di generare un’intera immagine in tempo reale attraverso un singolo evento di trasmissione. Ciò fa sì che il frame-rate possa aumentare notevolmente, in quanto non dipende più dal numero di linee di cui è formata l’immagine, ma solamente dal tempo che un singolo impulso acustico impiega per essere trasmesso nel mezzo e ritornare al trasduttore (Tabella 2).

Tabella 2: frame-rate tipici in differenti applicazioni cliniche ottenuti utilizzando sistemi di imaging convenzionali ed ultraveloci. Tratto da [3].

I sistemi di imaging ad alto frame rate richiedono due caratteristiche fondamentali, quali un’elevata velocità di trasferimento dei dati, dal modulo di acquisizione all’unità di elaborazione, dell’ordine dei GigaByte/s, e un’elevata potenza di calcolo di quest’ultima [1]. Entrambe sono caratteristiche non facili da raggiungere dal punto di vista tecnologico, però negli ultimi anni, grazie allo sviluppo delle GPU, si è riusciti a combinare la loro potenza di calcolo con la grande velocità di trasferimento dati garantita dai bus, cioè i canali di trasferimento con cui si scambiano le informazioni le diverse componenti del sistema.

Oltre all’utilizzo dei sistemi di ultrafast imaging, esistono altre tecniche che permettono di aumentare il frame-rate. Se consideriamo l’Equazione (1), possiamo vedere che la velocità dell’onda e la profondità dell’immagine sono fissi, dunque l’unico modo per aumentare il frame-rate consiste nel diminuire il numero di linee di scansione di cui è composta l’immagine, cioè diminuire le trasmissioni richieste per costruire un singolo frame. Un modo per realizzare ciò consiste nel limitare il campo visivo (field of view, FOV) o nel ridurre la densità delle linee di scansione aumentando

Imaging ad ultrasuoni ad alto frame-rate 6

lo spazio tra due linee adiacenti. Così facendo vediamo che esiste una relazione intrinseca tra campo visivo, risoluzione spaziale e risoluzione temporale, in quanto con il primo approccio viene preservata la risoluzione spaziale a costo del FOV, mentre nel secondo si riduce la risoluzione spaziale, preservando il FOV [3].

È possibile oltrepassare questo limite, senza compromettere la densità delle linee e la larghezza del settore insonificato dal fascio ad ultrasuoni, attraverso l’acquisizione o la trasmissione di fasci multipli.

Capitolo 3

3. Tecniche per aumentare il frame-rate

Alcune tecniche avanzate nel campo dell’imaging ad ultrasuoni hanno permesso di elaborare e trasferire dati raggiungendo frame-rate molto elevati. Tutti questi metodi sono accomunati dal fatto di migliorare la risoluzione temporale rispetto ai sistemi di imaging convenzionali, tuttavia a scapito di altre caratteristiche quali il contrasto, la profondità di penetrazione, la risoluzione spaziale e la larghezza del campo visivo.

In questo capitolo tratteremo alcune di queste tecniche utilizzate, tra cui multi-line acquisition (MLA), multi-line transmission (MLT) e plane/diverging wave imaging, andando ad evidenziare le modalità di implementazione e i requisiti necessari per l’attuazione di questi metodi.

3.1 Multi-line acquisition (MLA)

La MLA è una tecnica usata comunemente in molti sistemi attuali in quanto permette di aumentare il frame-rate senza compromettere la larghezza del FOV e la densità di linee