Publicação

Towards clinical optical elastography: high-speed 3D imaging using volumetric phase detection

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Dada a existência de diferenças nas propriedades elásticas de um tecido num estado saudável e patológico, a medição destas propriedades pode ser importante no diagnóstico de algumas doenças. A elastografia é uma técnica de imagiologia que dá informação objetiva sobre as propriedades elásticas de um tecido. Nesta técnica, o tecido é comprimido, o deslocamento do tecido é medido usando uma técnica de imagiologia (ex: ressonância magnética, CT ou ultrassons), e as medições de deslocamento são usadas para estimar uma propriedade elástica, como o Módulo de Young ou a Deformação, e formar então uma imagem médica – elastograma. As primeiras técnicas de elastografia usavam ultrassons e ressonância magnética nas medições de deslocamento. Mais recentemente, a tomografia de coerência ótica foi também aplicada à elastografia, numa técnica chamada elastografia de coerência ótica, trazendo melhor resolução espacial e sensibilidade, apesar de ser incapaz de obter imagens tão profundas no tecido. A elastografia de coerência ótica apresenta uma resolução na ordem dos 2-10 micrómetros, pelo menos uma ordem de grandeza inferior à elastografia usando as técnicas referidas anteriormente. A avaliação das margens de tumores em cirurgias de remoção de cancro da mama ou o diagnóstico de doenças musculares como a Distrofia Muscular de Duchenne são exemplos de aplicações de elastografia que requerem uma resolução microscópica ao nível que só a variante da coerência ótica consegue oferecer. Em tomografia de coerência ótica de domínio espectral, o sinal medido pode ser dividido em amplitude e fase. A amplitude do sinal é usada para formar as imagens normais de tomografia de coerência ótica enquanto a fase é aleatória. Contudo, quando adquiridas duas imagens de uma amostra que se desloca (entre a aquisição da primeira e da segunda imagem) paralelamente à direção de propagação do feixe de luz, gera-se um desvio na fase proporcional ao deslocamento. Em elastografia de coerência ótica de compressão quasi-estática sensível à fase, são adquiridas duas imagens com a amostra em dois estados diferentes de compressão e o desvio de fase em cada ponto é calculado. O desvio é posteriormente convertido em deslocamento que por sua vez é usado na estimação da Deformação em cada ponto da amostra. No projeto desenvolvido durante o estágio realizado no Optical and Biomedical Engineering Laboratory (OBEL) da University of Western Australia (UWA), a técnica de elastografia de coerência ótica usada pelo grupo foi modificada/adaptada de forma a adquirir imagens 3D de forma mais rápida e eficiente. Para o fazer, foi necessário modificar as instruções fornecidas ao software de aquisição, testar e otimizar diferentes parâmetros, assim como alterar todo o processamento de dados relativo à construção das imagens. Na técnica originalmente usada pelo grupo, a compressão e a descompressão são aplicadas alternadamente ao fantoma após a aquisição de cada uma das “fatias” (B-scans) do volume total (C-scan). A diferença de fase entre B-scans consecutivos (par comprimido-descomprimido) corresponde ao deslocamento da amostra, que era de seguida usada para calcular a Deformação em cada ponto. A velocidade de aquisição de cada B-scan é limitada pela frequência da compressão-descompressão da amostra, que em regimes quasi-estáticos não pode ultrapassar os 5 Hz. Desta forma, a aquisição de B-scans não pode ser feita a um ritmo superior a 10 Hz (0.1 segundos por B-scan). Num C-scan com 5000 B-scans (2500 B-scans comprimidos e 2500 B-scans descomprimidos), o tempo total de aquisição corresponde a 500 segundos. Na técnica desenvolvida durante o projeto, o volume total da amostra (C-scan) é adquirido com a amostra descomprimida, de seguida a compressão é aplicada e é adquirido um segundo volume com a amostra comprimida. Desta forma, o deslocamento é calculado diretamente através da diferença de fase entre os 2 C-scans. O novo esquema de aquisição permite eliminar a necessidade de efetuar oversampling, reduzindo o volume de dados (número de B-scans) em 10 vezes. A frequência a que é aplicada a compressão-descompressão continua a estar limitada a 5 Hz, mas como esta é aplicada entre C-scans, é a aquisição de C-scans que não pode ser efetuada a um ritmo superior a 10 Hz (0.1 segundos por C-scan). Levando a frequência de aquisição de B-scans ao limite do sistema (100 Hz), em 2 C-scans, um com 500 B-scans comprimidos e outro com 500 B-scans descomprimidos, o tempo total de aquisição corresponde a 5 segundos. Com um sistema de aquisição mais rápido, o tempo total de aquisição poderia ser reduzido a 0.2 segundos. O desempenho do novo esquema de aquisição foi comparado com o esquema anterior através da medição da sensibilidade de fase e da sensibilidade de deformação em imagens de fantomas obtidas com as duas técnicas. O tempo de aquisição de um volume de 5 mm × 5 mm × 2 mm foi reduzido de 500 segundos para 5 segundos, sendo que as sensibilidades se mantiveram na mesma ordem de grandeza. A grande diminuição do tempo de aquisição abre portas a futuras aplicações clínicas com base na elastografia de coerência ótica. Durante a realização do projeto houve a possibilidade de testar a técnica e o novo esquema de aquisição em amostras de tecidos musculares de ratazanas nos laboratórios do grupo e em amostras de tecido mamário cancerígeno no Hospital de Royal Perth. Alguns destes resultados estão contidos nesta dissertação. Com o trabalho desenvolvido neste projeto, foi escrito em conjunto com o meu orientador externo e um outro membro do OBEL, um artigo intitulado “Three-dimensional optical coherence elastography by phase-sensitive comparison of C-scans”, que foi submetido ao Journal of Biomedical Optics e aguarda revisão.
Autores principais:	Malheiro, Francisco Gomes
Assunto:	Elastografia Tomografia de coerência ótica Elastografia de coerência ótica Deformação Teses de mestrado - 2014
Ano:	2014
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	Dada a existência de diferenças nas propriedades elásticas de um tecido num estado saudável e patológico, a medição destas propriedades pode ser importante no diagnóstico de algumas doenças. A elastografia é uma técnica de imagiologia que dá informação objetiva sobre as propriedades elásticas de um tecido. Nesta técnica, o tecido é comprimido, o deslocamento do tecido é medido usando uma técnica de imagiologia (ex: ressonância magnética, CT ou ultrassons), e as medições de deslocamento são usadas para estimar uma propriedade elástica, como o Módulo de Young ou a Deformação, e formar então uma imagem médica – elastograma. As primeiras técnicas de elastografia usavam ultrassons e ressonância magnética nas medições de deslocamento. Mais recentemente, a tomografia de coerência ótica foi também aplicada à elastografia, numa técnica chamada elastografia de coerência ótica, trazendo melhor resolução espacial e sensibilidade, apesar de ser incapaz de obter imagens tão profundas no tecido. A elastografia de coerência ótica apresenta uma resolução na ordem dos 2-10 micrómetros, pelo menos uma ordem de grandeza inferior à elastografia usando as técnicas referidas anteriormente. A avaliação das margens de tumores em cirurgias de remoção de cancro da mama ou o diagnóstico de doenças musculares como a Distrofia Muscular de Duchenne são exemplos de aplicações de elastografia que requerem uma resolução microscópica ao nível que só a variante da coerência ótica consegue oferecer. Em tomografia de coerência ótica de domínio espectral, o sinal medido pode ser dividido em amplitude e fase. A amplitude do sinal é usada para formar as imagens normais de tomografia de coerência ótica enquanto a fase é aleatória. Contudo, quando adquiridas duas imagens de uma amostra que se desloca (entre a aquisição da primeira e da segunda imagem) paralelamente à direção de propagação do feixe de luz, gera-se um desvio na fase proporcional ao deslocamento. Em elastografia de coerência ótica de compressão quasi-estática sensível à fase, são adquiridas duas imagens com a amostra em dois estados diferentes de compressão e o desvio de fase em cada ponto é calculado. O desvio é posteriormente convertido em deslocamento que por sua vez é usado na estimação da Deformação em cada ponto da amostra. No projeto desenvolvido durante o estágio realizado no Optical and Biomedical Engineering Laboratory (OBEL) da University of Western Australia (UWA), a técnica de elastografia de coerência ótica usada pelo grupo foi modificada/adaptada de forma a adquirir imagens 3D de forma mais rápida e eficiente. Para o fazer, foi necessário modificar as instruções fornecidas ao software de aquisição, testar e otimizar diferentes parâmetros, assim como alterar todo o processamento de dados relativo à construção das imagens. Na técnica originalmente usada pelo grupo, a compressão e a descompressão são aplicadas alternadamente ao fantoma após a aquisição de cada uma das “fatias” (B-scans) do volume total (C-scan). A diferença de fase entre B-scans consecutivos (par comprimido-descomprimido) corresponde ao deslocamento da amostra, que era de seguida usada para calcular a Deformação em cada ponto. A velocidade de aquisição de cada B-scan é limitada pela frequência da compressão-descompressão da amostra, que em regimes quasi-estáticos não pode ultrapassar os 5 Hz. Desta forma, a aquisição de B-scans não pode ser feita a um ritmo superior a 10 Hz (0.1 segundos por B-scan). Num C-scan com 5000 B-scans (2500 B-scans comprimidos e 2500 B-scans descomprimidos), o tempo total de aquisição corresponde a 500 segundos. Na técnica desenvolvida durante o projeto, o volume total da amostra (C-scan) é adquirido com a amostra descomprimida, de seguida a compressão é aplicada e é adquirido um segundo volume com a amostra comprimida. Desta forma, o deslocamento é calculado diretamente através da diferença de fase entre os 2 C-scans. O novo esquema de aquisição permite eliminar a necessidade de efetuar oversampling, reduzindo o volume de dados (número de B-scans) em 10 vezes. A frequência a que é aplicada a compressão-descompressão continua a estar limitada a 5 Hz, mas como esta é aplicada entre C-scans, é a aquisição de C-scans que não pode ser efetuada a um ritmo superior a 10 Hz (0.1 segundos por C-scan). Levando a frequência de aquisição de B-scans ao limite do sistema (100 Hz), em 2 C-scans, um com 500 B-scans comprimidos e outro com 500 B-scans descomprimidos, o tempo total de aquisição corresponde a 5 segundos. Com um sistema de aquisição mais rápido, o tempo total de aquisição poderia ser reduzido a 0.2 segundos. O desempenho do novo esquema de aquisição foi comparado com o esquema anterior através da medição da sensibilidade de fase e da sensibilidade de deformação em imagens de fantomas obtidas com as duas técnicas. O tempo de aquisição de um volume de 5 mm × 5 mm × 2 mm foi reduzido de 500 segundos para 5 segundos, sendo que as sensibilidades se mantiveram na mesma ordem de grandeza. A grande diminuição do tempo de aquisição abre portas a futuras aplicações clínicas com base na elastografia de coerência ótica. Durante a realização do projeto houve a possibilidade de testar a técnica e o novo esquema de aquisição em amostras de tecidos musculares de ratazanas nos laboratórios do grupo e em amostras de tecido mamário cancerígeno no Hospital de Royal Perth. Alguns destes resultados estão contidos nesta dissertação. Com o trabalho desenvolvido neste projeto, foi escrito em conjunto com o meu orientador externo e um outro membro do OBEL, um artigo intitulado “Three-dimensional optical coherence elastography by phase-sensitive comparison of C-scans”, que foi submetido ao Journal of Biomedical Optics e aguarda revisão.