B.3 Model Solution Algorithm: Parameterized Expectations
3.2 Exploring the Data
La experimentación, tanto con técnicas ya conocidas, como con las nuevas desarrolladas en este trabajo de investigación, se ha realizado con un conjunto de elementos, entre los que destacan el equipo electrónico y los símiles de tejido, algunos comerciales y otros de diseño y fabricación propia con parámetros elásticos elegidos.
3.2.1
Equipo electrónico
Se ha utilizado un sistema SITAU-112 de 128 canales en paralelo y conectores para pulso- eco y transmisión, desarrollado por nuestro grupo y comercializado por la empresa DASEL SL (Madrid, España). Utilizando las librerías del fabricante, hemos desarrollado rutinas de Matlab para controlar los arrays, la excitación y la adquisición de señal. Una interfaz gráfica interactiva, mostrada en la Figura 3.5, permite introducir los parámetros que controlan el hardware para realizar la adquisición (ganancia, filtro, longitud del pulso de excitación, etc.).
Otra interfaz gráfica (Figura 3.6) permite definir la geometría y configuración del array (número de elementos, paso, frecuencia, tamaño de la apertura activa, etc).
La adquisición de las imágenes ecográficas se realiza con distintos transductores phased array de 128 elementos cuyas características se listan en la tabla 3.1
Fabricante d [mm] Ancho de banda fraccional
(B) Foco elevación [mm] fc [MHz]
Vermon (Francia) 0.3 65% 20 7.2
Prosonic (Corea) 0.3 65% 19 5
Prosonic (Corea) 0.22 65% 70 3.2
Tabla 3.1 - Transductores phased array usados en este trabajo
3.2.2
Símiles de tejido: phantoms
Para calibrar y validar cualquier técnica de imagen en el laboratorio es necesario recrear de alguna forma las características de los tejidos biológicos. Esto se realiza a través de símiles de
tejido o phantoms que, en el caso de la imagen elástica por ultrasonido, deben replicar
fidedignamente tanto las propiedades mecánicas como acústicas, esto es, velocidad del
sonido, , impedancia acústica Z
(
Z =ρc)
, atenuación, dispersión y rigidez. Los valoresideales para aplicaciones de mama se muestran en la tabla 3.2 [Cournane 2012].
Propiedad Acústica c [m/s] Z [Mrayl] α[dB/cm/MHz] fc [MHz]
Tejidos biológicos 1542 1.54 0.5-0.7 2-15
Propiedad Mecánica Efondo [kPa] Equiste [kPa] Relación de contraste Dimensión del quiste [mm]
Mama 25 30-200 1.2-8 1-20
3.2.3
Phantoms comerciales
Actualmente existen varias compañías que comercializan phantoms diseñados
específicamente para el control y calibración de técnicas elastográficas, así como para entrenamiento de biopsias guiadas por ecografía.
Es importante, por tanto, elegir correctamente el método de elaboración y los componentes del material para conseguir un modelo realista, fiel y duradero, y que sufra las mínimas alteraciones posibles a lo largo del tiempo. Nuestro grupo cuenta con dos estos modelos:
• Modelo 040 GSE de CIRS, USA: Phantom multifunción creado con un polímero
elástico, Zerdine©, que contiene dos grupos de inclusiones iso-ecogénicas de Nylon
situados a 15 y 50 mm de profundidad. Cada grupo contiene 3 inclusiones de igual tamaño y distinta elasticidad, siendo las más superficiales de 6 mm de diámetro y las más profundas de 8 mm. Sus módulos elásticos de Young son 10, 40 y 60 kPa, respectivamente. El símil de tejido está dividido en dos regiones con igual velocidad longitudinal del sonido de 1540 ±10 m/s pero distinta atenuación (0.5 y 0.7 dB/cm/MHz).
•
Modelo BP1901 de Blue Phantom, USA: Diseñado específicamente para aplicacionesde mama, incluyendo el procedimiento de biopsias. Contiene lesiones de varias dimensiones y características, elásticas y acústicas. Su virtud es reproducir bien la mayoría de las indicaciones benignas y malignas en la mama: quistes, fibroadenomas, masas, microcalcificaciones, etc. Su mayor limitación es que no proporciona información de la distribución de las lesiones ni de sus propiedades mecánicas.
3.2.4
Símiles de fabricación propia
Existen diversas estrategias para elaborar símiles que presenten propiedades acústicas similares a las del tejido. El material de base suele ser un medio homogéneo como gelatina, sacarosa, aceite, poliuretano o alcohol polivinilo [Culjat 2010]. Para imagen elastográfica, resultan especialmente adecuados los primeros, que son además los más sencillos de fabricar [Hall 1997]. Estos símiles se forman diluyendo en agua cierta cantidad de gelatina, que funde aproximadamente a 45˚C y solidifica cerca de los 30˚C, consiguiendo así un medio con la elasticidad deseada a temperatura ambiente [Madsen 1978], [Hall 1997].
La gelatina diluida se calienta hasta los 50˚C para disolverla por completo y se enfría sin llegar a solidificar para poder añadir el resto de componentes. Como dispersor y atenuante se utiliza frecuentemente polvo de grafito, aunque también pueden usarse micro esferas de cristal, agar u otros dispersores.
Figura 3.7 - Phantoms comerciales utilizados en esta tesis. Izquierda: 040 GSE de CIRS; centro: detalle de inclusiones para elastografía; derecha: BP1901 de Blue Phantom.
Para controlar la velocidad de propagación del sonido se incorpora algún alcohol y para evitar la invasión de bacterias se utiliza algún ácido o formaldehído, que además incrementa la temperatura de fusión por encima de 65˚C, consiguiendo mayor estabilidad de la mezcla. Finalmente se enfría sobre un dispositivo (construido con dos cilindros horizonatales que giran alrededor de su eje) que la mantiene rotando para evitar que los dispersores se precipiten al fondo.
Si se desea añadir inclusiones con distinta elasticidad, se prepara otra mezcla con las propiedades deseadas y se incorpora en estado líquido al fondo ya solidificado. Su principal limitación, aparte de la pequeña toxicidad de alguno de sus componentes, es la degradación temporal y su inestabilidad frente a parámetros externos, principalmente a la temperatura. Además en los maniquíes heterogéneos pueden ocurrir procesos de ósmosis entre las concentraciones diferentes, que producen variaciones dimensionales de las inclusiones.
A no ser que se especifique lo contrario, la mayoría de los símiles elaborados en este trabajo se hacen con grafito para los dispersores, utilizando distintas concentraciones de gelatina, pero manteniendo constante la relación entre el resto de componente para conservar las mismas atenuación y velocidad del sonido. Estas proporciones se listan en la tabla 3.3 y proporcionan una velocidad y atenuación cercanas a las deseadas, mostradas anteriormente en la tabla 3.2, con algunas variaciones entre las distintas elaboraciones.
Material Agua [l] Isopropanol [ml] Grafito [g] Formalina [ml]
Cantidad 1 80 98 3
Tabla 3.3 - Proporciones usadas para la elaboración de phantoms
La velocidad de propagación en el símil se calcula midiendo los tiempos de vuelo entre tres agujas alineadas, que están adheridos a una placa y separadas una distancia conocida. Este dispositivo se introduce en la superficie del material para adquirir su imagen, operando en pulso-eco con uno de los elementos del array. Cuando el elemento está alineado con las agujas (máxima diferencia entre tiempos de vuelo), se puede estimar directamente la velocidad del sonido. La atenuación se determina con un haz sin focalizar (foco en campo lejano) y promediando la caída del eco con la profundidad en distintas posiciones del maniquí, compensando previamente las pérdidas por difracción.
Los materiales utilizados para la elaboración del simil son: Gelatina alimenticia triturada 200/220 Bloom (Manuel Riesgo S.A, España), Plombagina grafito amorfo mate 80/200 (Manuel Riesgo S.A, España), Isopropanol Comercial (Manuel Riesgo S.A, España) y Formaldehído al 37% con metanol al 15% (Sigma-Aldrich, EEUU).