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

UNIVERSITA’ 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

1

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

Introduzione 3

portato alla completa digitalizzazione dei sistemi con il conseguente aumento della

qualità delle informazioni fornite [1].

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. 4

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