Orientador: Marcus Antonio Rossi Feliciano / Resumo: Atualmente, a ultrassonografia é o método de escolha para avaliação pancreática, sendo imprescindível como auxílio diagnóstico na detecção de anormalidades. Com a tecnologia inovadora dos equipamentos, surgiram técnicas complementares à ultrassonografia modo-B, que contribuem para o diagnóstico de alterações pancreáticas. O objetivo deste estudo foi avaliar se a elastografia, a ultrassonografia Doppler e contraste por microbolhas permitem identificar alterações pancreáticas de cães. Foram selecionados 25 cães, machos e fêmeas, com idade entre 1-14 anos, 16 animais sem sinais de alterações clínicas de doença pancreática (GS) e nove com suspeita clínica de pancreatite (GD). Os 16 animais saudáveis não apresentaram alterações à ultrassonografia modo-B nem à elastografia qualitativa, a velocidade média da onda de cisalhamento (SWV) foi maior (1,9±0,3) no GS (p=0,014) do que no GD (2,4±0,5 m/s) resultando numa sensibilidade de 78%, e especificidade de 69% na identificações de alterações pancreáticas. Ao Doppler não foram verificadas diferenças entre os grupos, nem no mapeamento colorido e nem no Doppler pulsado. Os valores obtidos na CEUS não obtiveram diferença entre os grupos. A elastografia apresenta-se como técnica promissora para identificação das alterações do pâncreas, enquanto que as demais técnicas não mostraram acurácia diagnóstica. / Abstract: Currently, ultrasonography is the method of choice for pancreatic evaluation, and is essential as a diagnostic aid in the detection of abnormalities. With the innovative technology of the equipment, techniques complementary to B-mode ultrasonography have emerged, which contribute to the diagnosis of pancreatic changes. The objective of this study was to evaluate whether the elastography, Doppler ultrasonography and microbubble contrast allow the identification of pancreatic changes in dogs. Twenty-five male and female dogs, aged 1-14 years, 16 animals with no clinical signs of pancreatic disease (GS) and nine with clinical suspicion of pancreatitis (GD) were selected. The 16 healthy animals showed no change in B-mode or qualitative elastography, mean shear wave velocity (SWV) was greater (1.9±0.3) in GS (p=0.014) than in GD (2.4±0.5 m / s) resulting in a sensitivity of 78%, and specificity of 69% in the identification of pancreatic changes. Doppler showed no differences between groups, either in color mapping or in pulsed Doppler. The values obtained in the CEUS did not differ between groups. Elastography presents as a promising technique for the identification of pancreas alterations, while the other techniques did not show diagnostic accuracy. / Doutor

Tese de mestrado. Engenharia Biomédica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Imagens acústicas permitem a inspeção e análise de tecidos biológicos e outros materiais de forma não destrutiva, o que é desejado tanto para aprimorar e aumentar o conhecimento sobre o objeto analisado, quanto para diagnosticar ou assegurar a qualidade do mesmo. Este trabalho foi motivado pela falta de recursos quantitativos para análise e diagnósticos via imagens de ultrassom, normalmente baseados em métodos qualitativos, ou seja, experiência e bom senso dos inspetores, além da falta de sistemas de imageamento que permitam a aquisição do sinal puro de RF. Possuir métodos quantitativos de análise é essencial para o desenvolvimento de novos materiais piezelétricos, modelos biomédicos de tecidos e métodos de diagnóstico. Neste trabalho, foi desenvolvido um sistema eletro-mecânico de varredura sincronizado com o sistema de aquisição de sinais de ultrassom e formação de imagem por diferentes métodos de interpolação que permitiu o desenvolvimento de um algoritmo de segmentação de imagens baseado em watershed para separação e contagem de formas em modelos phantom de tecidos moles. Percebeu-se que o uso de um filtro estatístico de Wiener, mesmo sem grandes vantagens para análise qualitativa, possui resultado positivo como pré-processamento para segmentação automática. / Acoustic imaging allows the inspection and analysis of biological tissue and others materials in a non-destructive way, what is desired to improve the knowledge and to insure the quality about the analyzed object. This work was motivated by the lack of quantitative methods of analysis, usually based on qualitative diagnoses from experienced inspectors, what can vary, as well the lack of imaging systems where the pure RF signal of ultrasound could be acquired. Quantitative methods of analysis are highly desired when developing new piezoelectric materiais, biomedic phantom models and new diagnoses methods. It was developed in this work: an electrical-mechanic scanning system synchronized with the ultrasound acquisition device and image formation by different methods that allowed the development of an algorithm to prepare and to segment these images and different soft tissue phantom models. It was noticed that a statistic Wiener filter, even with no advantages for qualitative analysis of an image, improved the automatic segmentation of it.

Muitos procedimentos vêm sendo desenvolvidos para auxiliar no diagnóstico precoce do câncer de mama. Devido a subjetividade na interpretação de imagens, os sistemas de diagnóstico auxiliado por computador (CADx) têm oferecido ao especialista uma segunda opinião mais precisa e confiável. Nesse propósito, essa pesquisa apresenta uma metodologia de investigação da potencialidade diagnóstica de um sistema computacional na classificação de achados suspeitos em imagens de ultrassom modo-B e de elastografia da mama. A base de dados foi constituída por 31 lesões malignas e 52 benignas e um conjunto adicional contendo 206 lesões de ultrassom modo-B (144 benignas e 62 malignas) para a realização dos testes de aprendizado de máquina. O contorno foi determinado automaticamente e através do delineamento manual de três radiologistas sob a imagem de ultrassom modo-B e, em seguida, mapeado na imagem elastográfica. As lesões foram classificadas pelo sistema CADx desenvolvido para ultrassom modo-B e elastografia do tipo strain. Os dados foram avaliados por meio da sensibilidade, especificidade e AUC. O sistema CADx desenvolvido proporcionou equivalência diagnóstica para a classificação das lesões a partir das diversas formas de determinação do contorno (manual e automática), permitindo a redução da variabilidade. Além disso, o sistema apontou resultados superiores à análise visual do radiologista que, quando considerado o resultado fornecido pela associação entre as imagens de ultrassom modo-B e elastografia, proporcionou um aumento comparativo de cerca de 7% em sensibilidade e 17,2% em especificidade nos testes com o sistema CADx usando o contorno feito pelo radiologista mais experiente. Além disso, constatou-se uma influência positiva no uso da ferramenta computacional pelos radiologistas, pois, na média, seus índices de sensibilidade e especificidade diagnóstica aumentaram também em relação à situação de análise convencional, passando de 87,1% e 55,8% para 90,3% e 73,1%, respectivamente. / Many procedures have been developed to aid in the early detection and diagnosis of breast cancer. In this context, Computer-Aided Diagnosis (CADx) systems were designed to provide to the specialist a reliable second opinion. This study presents the proposal of investigating the diagnostic ability of a computational system in the characterization of suspicious findings in B-mode ultrasound and breast elastography imaging. The database consisted of 31 malignant and 52 benign lesions and an additional data set containing 206 lesions (144 benign and 62 malignant) seen only on the B-mode ultrasound for performing the machine learning tests. Three radiologists drew manually the contour of the lesions in B-mode ultrasound and we used an automatic technique to segment the lesions. Then, the contour was mapped in the elastography image. The lesions were classified using the CADx system developed for B-mode ultrasound and strain elastography. We calculated the sensitivity, specificity and AUC to evaluate the data. The developed CADx system provided a diagnostic concordance in the classification of breast lesions from the different ways of contour determination (manual and automatic), allowing to reduce the diagnostic variability. In addition, the CADx system showed superior results to the visual analysis of the radiologist. When the radiologist associated both examinations (B-mode ultrasound and elastography), his visual analysis provided 87.10%, 55.77% and 0.714 of sensitivity, specificity and AUC, respectively. When we considered the result provided by the association between B-mode ultrasound and elastography images, the CADx system provided a comparative increase of about 7% of sensitivity and 17.2% of specificity, using the contour delimited by the most experienced radiologist. In addition, a positive influence was observed in the use of the computational tool by radiologists, since, on average, their sensitivity and specificity indexes also increased in relation to the conventional analysis, from 87.1% and 55.8% to 90.3% and 73.1%, respectively.

Muitos procedimentos vêm sendo desenvolvidos para auxiliar no diagnóstico precoce do câncer de mama. Devido a subjetividade na interpretação de imagens, os sistemas de diagnóstico auxiliado por computador (CADx) têm oferecido ao especialista uma segunda opinião mais precisa e confiável. Nesse propósito, essa pesquisa apresenta uma metodologia de investigação da potencialidade diagnóstica de um sistema computacional na classificação de achados suspeitos em imagens de ultrassom modo-B e de elastografia da mama. A base de dados foi constituída por 31 lesões malignas e 52 benignas e um conjunto adicional contendo 206 lesões de ultrassom modo-B (144 benignas e 62 malignas) para a realização dos testes de aprendizado de máquina. O contorno foi determinado automaticamente e através do delineamento manual de três radiologistas sob a imagem de ultrassom modo-B e, em seguida, mapeado na imagem elastográfica. As lesões foram classificadas pelo sistema CADx desenvolvido para ultrassom modo-B e elastografia do tipo strain. Os dados foram avaliados por meio da sensibilidade, especificidade e AUC. O sistema CADx desenvolvido proporcionou equivalência diagnóstica para a classificação das lesões a partir das diversas formas de determinação do contorno (manual e automática), permitindo a redução da variabilidade. Além disso, o sistema apontou resultados superiores à análise visual do radiologista que, quando considerado o resultado fornecido pela associação entre as imagens de ultrassom modo-B e elastografia, proporcionou um aumento comparativo de cerca de 7% em sensibilidade e 17,2% em especificidade nos testes com o sistema CADx usando o contorno feito pelo radiologista mais experiente. Além disso, constatou-se uma influência positiva no uso da ferramenta computacional pelos radiologistas, pois, na média, seus índices de sensibilidade e especificidade diagnóstica aumentaram também em relação à situação de análise convencional, passando de 87,1% e 55,8% para 90,3% e 73,1%, respectivamente. / Many procedures have been developed to aid in the early detection and diagnosis of breast cancer. In this context, Computer-Aided Diagnosis (CADx) systems were designed to provide to the specialist a reliable second opinion. This study presents the proposal of investigating the diagnostic ability of a computational system in the characterization of suspicious findings in B-mode ultrasound and breast elastography imaging. The database consisted of 31 malignant and 52 benign lesions and an additional data set containing 206 lesions (144 benign and 62 malignant) seen only on the B-mode ultrasound for performing the machine learning tests. Three radiologists drew manually the contour of the lesions in B-mode ultrasound and we used an automatic technique to segment the lesions. Then, the contour was mapped in the elastography image. The lesions were classified using the CADx system developed for B-mode ultrasound and strain elastography. We calculated the sensitivity, specificity and AUC to evaluate the data. The developed CADx system provided a diagnostic concordance in the classification of breast lesions from the different ways of contour determination (manual and automatic), allowing to reduce the diagnostic variability. In addition, the CADx system showed superior results to the visual analysis of the radiologist. When the radiologist associated both examinations (B-mode ultrasound and elastography), his visual analysis provided 87.10%, 55.77% and 0.714 of sensitivity, specificity and AUC, respectively. When we considered the result provided by the association between B-mode ultrasound and elastography images, the CADx system provided a comparative increase of about 7% of sensitivity and 17.2% of specificity, using the contour delimited by the most experienced radiologist. In addition, a positive influence was observed in the use of the computational tool by radiologists, since, on average, their sensitivity and specificity indexes also increased in relation to the conventional analysis, from 87.1% and 55.8% to 90.3% and 73.1%, respectively.

Imagens acústicas permitem a inspeção e análise de tecidos biológicos e outros materiais de forma não destrutiva, o que é desejado tanto para aprimorar e aumentar o conhecimento sobre o objeto analisado, quanto para diagnosticar ou assegurar a qualidade do mesmo. Este trabalho foi motivado pela falta de recursos quantitativos para análise e diagnósticos via imagens de ultrassom, normalmente baseados em métodos qualitativos, ou seja, experiência e bom senso dos inspetores, além da falta de sistemas de imageamento que permitam a aquisição do sinal puro de RF. Possuir métodos quantitativos de análise é essencial para o desenvolvimento de novos materiais piezelétricos, modelos biomédicos de tecidos e métodos de diagnóstico. Neste trabalho, foi desenvolvido um sistema eletro-mecânico de varredura sincronizado com o sistema de aquisição de sinais de ultrassom e formação de imagem por diferentes métodos de interpolação que permitiu o desenvolvimento de um algoritmo de segmentação de imagens baseado em watershed para separação e contagem de formas em modelos phantom de tecidos moles. Percebeu-se que o uso de um filtro estatístico de Wiener, mesmo sem grandes vantagens para análise qualitativa, possui resultado positivo como pré-processamento para segmentação automática. / Acoustic imaging allows the inspection and analysis of biological tissue and others materials in a non-destructive way, what is desired to improve the knowledge and to insure the quality about the analyzed object. This work was motivated by the lack of quantitative methods of analysis, usually based on qualitative diagnoses from experienced inspectors, what can vary, as well the lack of imaging systems where the pure RF signal of ultrasound could be acquired. Quantitative methods of analysis are highly desired when developing new piezoelectric materiais, biomedic phantom models and new diagnoses methods. It was developed in this work: an electrical-mechanic scanning system synchronized with the ultrasound acquisition device and image formation by different methods that allowed the development of an algorithm to prepare and to segment these images and different soft tissue phantom models. It was noticed that a statistic Wiener filter, even with no advantages for qualitative analysis of an image, improved the automatic segmentation of it.

No campo da medicina diagnóstica através de imagens, o baixo custo e a característica não-invasiva da ultrassonografia modo-B favoreceram as pesquisas que analisam a relação entre a espessura íntima-média (EIM) da artéria carótida e o desenvolvimento de doenças cardiovasculares. Outra técnica de ultrassonografia, baseada no efeito Doppler, também tem sido extensivamente empregada em ambientes clínicos para a medição da velocidade e do fluxo de sangue das artérias periféricas, oferecendo uma abordagem distinta para estudar as doenças cardiovasculares. Neste trabalho, métodos computacionais foram implementados e analisados para extrair informações quantitativas de artérias a partir de imagens 2D. Os ensaios com imagens em modo-B contemplaram a combinação de técnicas de filtragem e algoritmos de contornos ativos para a detecção das interfaces das paredes arteriais e medições da EIM e do diâmetro da luz (DL). Um modelo matemático e 7 imagens reais da artéria carótida comum foram utilizados neste estudo que, dentre as diversas combinações de filtros e algoritmos, apresentou resultados quantitativos similares no cálculo do DL. Para a EIM, porém, a reduzida dimensão da camada íntima-média proporcionou variações indesejadas dos cálculos. Para medir a velocidade do sangue utilizando o modo Doppler, um método semiautomático foi incorporado a um aplicativo computacional para a detecção da envoltória do espectro do gráfico de velocidades. Uma análise comparativa entre sistemas de ultrassonografia comerciais operados por especialistas e este aplicativo incluiu a velocidade de pico sistólico e a integral de velocidade e tempo (VTI) das artérias carótida comum e braquial e de exames ecocardiográficos. A análise de Bland-Altman e o coeficiente de correlação validaram esta metodologia que, complementada pela interface gráfica amigável do aplicativo, pode auxiliar os clínicos em seus estudos de larga escala, baseados nas imagens Doppler ultrassonográficas, com as seguintes vantagens: redução do tempo operacional e de resultados subjetivos e aumento do grau de reprodutibilidade dos resultados. / In the field of image-based diagnostic medicine, low cost and noninvasive B-mode ultrasound technique have supported the researches which investigates the relation between the carotid intima-media thickness (IMT) and the development of cardiovascular diseases. Other ultrasound technique, that offers a different approach to study these diseases, is based on Doppler effect and has also been extensively used in clinical sites to measure blood velocity and flow in peripheral arteries. In this work, computational methods were implemented and analyzed to extract quantitative data from 2D images of arteries. Tests with B-mode images covered the combination of filtering techniques and active contour algorithms, in order to detect the arterial wall interfaces and to measure IMT and lumen diameter (LD). One mathematical model and seven real images of the common carotid artery were used in this study which, among several filters and algorithms combinations, showed similar quantitative results for DL measurements. However, for IMT, the small thickness of intima-media layer led to undesirable variation results. To measure blood velocity by using Doppler mode, a semi-automatic methodology was implemented in a computational tool to detect the spectrum envelope of the velocity graphic. A comparative analysis between commercial ultrasound systems operated by specialists and this tool included systolic peak velocities and velocity-time integral (VTI) of the common carotid and brachial arteries and of echocardiographic exams. Bland-Altmans analysis and the correlation coefficient validated this methodology which, besides the user friendly graphical interface of the tool, may help the clinicians for their large-scale studies based on Doppler ultrasound images, with the following advantages: to save operational time, to lower subjective results, and to support measurement reproducibility.

No campo da medicina diagnóstica através de imagens, o baixo custo e a característica não-invasiva da ultrassonografia modo-B favoreceram as pesquisas que analisam a relação entre a espessura íntima-média (EIM) da artéria carótida e o desenvolvimento de doenças cardiovasculares. Outra técnica de ultrassonografia, baseada no efeito Doppler, também tem sido extensivamente empregada em ambientes clínicos para a medição da velocidade e do fluxo de sangue das artérias periféricas, oferecendo uma abordagem distinta para estudar as doenças cardiovasculares. Neste trabalho, métodos computacionais foram implementados e analisados para extrair informações quantitativas de artérias a partir de imagens 2D. Os ensaios com imagens em modo-B contemplaram a combinação de técnicas de filtragem e algoritmos de contornos ativos para a detecção das interfaces das paredes arteriais e medições da EIM e do diâmetro da luz (DL). Um modelo matemático e 7 imagens reais da artéria carótida comum foram utilizados neste estudo que, dentre as diversas combinações de filtros e algoritmos, apresentou resultados quantitativos similares no cálculo do DL. Para a EIM, porém, a reduzida dimensão da camada íntima-média proporcionou variações indesejadas dos cálculos. Para medir a velocidade do sangue utilizando o modo Doppler, um método semiautomático foi incorporado a um aplicativo computacional para a detecção da envoltória do espectro do gráfico de velocidades. Uma análise comparativa entre sistemas de ultrassonografia comerciais operados por especialistas e este aplicativo incluiu a velocidade de pico sistólico e a integral de velocidade e tempo (VTI) das artérias carótida comum e braquial e de exames ecocardiográficos. A análise de Bland-Altman e o coeficiente de correlação validaram esta metodologia que, complementada pela interface gráfica amigável do aplicativo, pode auxiliar os clínicos em seus estudos de larga escala, baseados nas imagens Doppler ultrassonográficas, com as seguintes vantagens: redução do tempo operacional e de resultados subjetivos e aumento do grau de reprodutibilidade dos resultados. / In the field of image-based diagnostic medicine, low cost and noninvasive B-mode ultrasound technique have supported the researches which investigates the relation between the carotid intima-media thickness (IMT) and the development of cardiovascular diseases. Other ultrasound technique, that offers a different approach to study these diseases, is based on Doppler effect and has also been extensively used in clinical sites to measure blood velocity and flow in peripheral arteries. In this work, computational methods were implemented and analyzed to extract quantitative data from 2D images of arteries. Tests with B-mode images covered the combination of filtering techniques and active contour algorithms, in order to detect the arterial wall interfaces and to measure IMT and lumen diameter (LD). One mathematical model and seven real images of the common carotid artery were used in this study which, among several filters and algorithms combinations, showed similar quantitative results for DL measurements. However, for IMT, the small thickness of intima-media layer led to undesirable variation results. To measure blood velocity by using Doppler mode, a semi-automatic methodology was implemented in a computational tool to detect the spectrum envelope of the velocity graphic. A comparative analysis between commercial ultrasound systems operated by specialists and this tool included systolic peak velocities and velocity-time integral (VTI) of the common carotid and brachial arteries and of echocardiographic exams. Bland-Altmans analysis and the correlation coefficient validated this methodology which, besides the user friendly graphical interface of the tool, may help the clinicians for their large-scale studies based on Doppler ultrasound images, with the following advantages: to save operational time, to lower subjective results, and to support measurement reproducibility.