La elastografía es una modalidad en imágenes médicas que estima la elasticidad de los tejidos. Esta metodología se basa en el hecho de que los tejidos patológicos presentan mayor rigidez en comparación con el tejido blando. Específicamente, en ultrasonido, se ha aplicado para la detección de cáncer de mama, próstata, hígado y otros. A diferencia de las técnicas cualitativas, las técnicas elastográficas cuantitativas brindan un parámetro numérico de elasticidad, el cual permite la clasificación de los tumores con estándares clínicos. En particular, la sonoelastografía cuantitativa consiste en aplicar dos fuentes de vibración externa opuestas una a la otra, con frecuencias ligeramente desfasadas para generar un patrón de interferencia, el cual permite estimar la velocidad de corte del tejido y, por ende, la elasticidad. La presente tesis busca validar el rendimiento de sonoelastografía cuantitativa en los tres ecógrafos de investigación con que cuenta el Laboratorio de Imágenes Médicas en maniquíes a base de gelatina homogéneos y heterogéneos. Adicionalmente, se busca evaluar y comparar la performance de 3 técnicas de estimación de velocidad de corte a partir de patrones sonoelastográficos de interferencia (algoritmo de Fase Derivativa, de autocorrelación Local y de demodulación AM-FM). Los resultados indican que el equipo Verasonics no es apto para realizar sonoelastografía cuantitativa con la configuración actual, el ecógrafo Sonix Touch tiene un mejor rendimiento a bajas frecuencias de vibración y el ecógrafo Visualsonics a altas frecuencias. El algoritmo de Fase Derivativa tiene un error de estimación del 1.8% para experimento con vibración normal a altas frecuencias, mientras que el algoritmo de demodulación AM-FM tiene un error de 5.25% para bajas frecuencias. Este trabajo constituye el primer esfuerzo por entender la dependencia de la sonoelastografía cuantitativa de la plataforma (ecógrafo) donde se implementa. De manera adicional, es la primera vez que se mide el rendimiento de sonoelastografía cuantitativa en altas frecuencias (16-21 MHz) y constituye un primer paso para la implementación de una herramienta elastográfica para aplicaciones dermatológicas, en particular para la evaluación futura de Leishamaniasis cutánea (enfermedad endémica en el Perú). / Tesis

En el sector salud, el acceso a las tecnologías de salud es limitado en calidad y cantidad. Esto se debe a que somos un país importador de equipos médicos, como consecuencia no se tiene personal cualificado correctamente para el mantenimiento y reparación de los mismos; a esto se suma, el elevado precio del equipo una vez importado. El desarrollo del presente trabajo surge de la necesidad de iniciar una política de producción de equipos médicos en el Perú, adoptando una nueva estrategia de producción conocida como sistema de producción modular, el cual está basado en realizar el proceso solo con aquello que le da valor agregado al producto, dejando de lado el actual sistema de producción lineal que trabaja con recursos innecesarios que los considera necesarios, conocido como desperdicios. En la actualidad, la electrónica ayuda a la medicina física y nos presenta nuevas posibilidades para la realización de terapias físicas, entre ellas se encuentran la magnetoterapia, el ultrasonido, la laserterapia y la fototerapia. Sin embargo, esta ayuda debe ser complementada diseñando el sistema de producción el cual permita mayor accesibilidad a dicha tecnología. Sobre todo, cuando el equipo es fabricado en territorio nacional. El objetivo del presente estudio es diseñar un sistema de producción del equipo Regenerador de Tejidos Blandos y Óseos con tecnología mejorada basada en factores físicos combinados, para tratamientos en la especialidad de medicina física. Su desarrollo está dado en cuatro capítulos cuyo contenido es el siguiente: El primer capítulo, nos muestra la problemática actual de las enfermedades del tipo dermatológica, así como el estado actual de la producción de equipos médicos. Se presentan el objetivo general y los objetivos específicos. En el segundo capítulo, se definen los tipos de tratamientos físicos actuales. Además se describen los distintos tipos de sistemas de producción junto con sus características. En el tercer capítulo, se desarrolla el diseño del sistema de producción del Regenerador de Tejidos Blandos y Óseos, se identifican los procesos de producción involucrados. Seguido del diseño y propuesta de los Procedimientos de Operación Estándar, los cuales permitirán la reproducción del sistema de producción. En el cuarto capítulo, se presentan las pruebas y resultados. La verificación de los procedimientos planteados en el tercer capítulo, la toma de tiempos de fabricación y la prueba de funcionamiento del equipo terminado. Así como también el análisis económico del presente estudio. Finalmente, se presentan conclusiones y recomendaciones en el desarrollo del sistema; además de, posibles mejoras que se pueden dar en el futuro. / Tesis

El proceso de reconstrucción de volúmenes 3D a partir de un ecógrafo 2D con posicionamiento y orientación del transductor puede ser considerada en tres etapas: examinación, reconstrucción y visualización. En el primer paso, un sensor de orientación y uno de posición es anexado al transductor para medir su inclinación y traslación cada vez que toma una imagen bidimensional. La presente tesis tiene como objetivo el diseñar e implementar un sistema de medición de orientación tridimensional de un transductor ultrasónico. El sistema cuenta con un sensor microelectromecánico que registra las rotaciones (velocidades angulares) en los tres ejes, los cuales son leídos por el microcontrolador ATMEGA8 por medio de la comunicación SPI y transmitidos a un computador a través del protocolo USB. Se implementará un filtro para eliminar el ruido y un integrador en Matlab para obtener la posición angular con una mayor exactitud. Finalmente, se mostrará el método de calibración del sistema y los resultados de los ensayos realizados, indicando la exactitud del mismo. / Tesis

The backscatter coefficient (BSC) is an intrinsic property that quantifies the amount of energy that is reflected by a material as function of the ultrasound wave frequency. BSCs have been proposed for decades for tissue characterization, along with quantitative ultrasound (QUS) parameters derived from BSCs that have been used to construct images that represent how these properties vary spatially. The availability of formulations based on weakly focusing conditions has resulted in a widespread use of large focal number transducers for BSC estimation. The use of highly focused transducers offers the possibility of improving the spatial resolution of BSC-based imaging. The model by Chen et al. [1] was developed for estimating BSCs using transducers of arbitrary focal number. However, to this date only preliminary experimental validation of this method has been performed. The goals of the present study are to analyze for the first time the accuracy of Chen’s [1] method when estimating BSCs using highly focused transducers through both simulations and experiments, and to analyze the accuracy on the estimation of QUS parameters derived from BSCs (specifically the effective scatterer size (ESD) and concentration (ESC)) applying the Chen et al. [1] model. To achieve these goals, a theoretical model of BSC synthesis based on the method of Chen et al. [1]. was derived and used with simulated data. The model considers frequency dependent diffraction patterns, and the scatterers in the synthetic data replicate the properties of solid spheres. In experiments, data obtained using highly focused transducers from a physical phantom containing glass beads was used. This experimental data was appropriately compensated for attenuation and transmission effects. The accuracy of Chen’s method was evaluated calculating the mean fractional error between the estimated and theoretical BSCs curves for both simulations and experiments. Also, the QUS parameters were estimated and compared with real known parameters. BSCs and QUS parameter estimates were obtained from regions of interest from both the transducer focus and throughout the transducer focal region. Finally, the sound speed and the transducer focus were varied in appropriate ranges when processing the data for the BSC and QUS values estimation in order to assess the robustness of the method to uncertainties in these parameters. The results showed that BSCs and QUS parameters can be accurately estimated using highly focused transducers if the appropriate model is used, with regions of interest not restricted to be centered at the focus but to the full extension of the -6-dB transducer focal region. It was also verified that well estimated parameters as the sound speed and transducer focus are necessary in order to obtain accurate BSCs and QUS parameters estimates. / Tesis

The pathological states of biological tissue are often related in attenuation changes of itself. Thus, information about attenuating properties of tissue is valuable for the physician and could be useful in ultrasonic diagnosis. However, accurate characterization of tissue pathologies using ultrasonic attenuation is strongly dependent on the accuracy of the algorithm that is used to obtain the attenuation coefficient estimates. In the present document, we derive a new attenuation estimation method which uses the analytical backscatter coefficient (BSC) diffraction compensation function for single-element transducers proposed by Chen et al. and compare it to a reference phantom attenuation estimation method. The accuracy of the two methods was evaluated. The results showed that an accurate attenuation coefficient mean value can be estimated by the two methods presenting a low mean percentile error (MPE<6%). However, the coefficient of variation of the estimates remains higher than the desired values (CV>62%). Moreover, to remove the inherent size of the ROI’s limitation due to the high variability of the estimator, the use of full angular spatial compounding was extended to the estimation of attenuation coefficients and its performance was experimentally evaluated using two physical phantoms. The results suggest that the variance and field of view of attenuation imaging can be significantly improved without sacrificing estimation accuracy. Based on these observations, the analytic diffraction compensation method was applied in an animal model to estimate the mean attenuation value of thyroids lobes. To reduce variability on the estimates, a three neighboring layer spatial compounding approach was applied. The results suggest the mean attenuation value can potentially discriminate a particular pathology on thyroid from malignant and normal tissues. The final conclusions lead to remark the potential of parametric imaging of tissue attenuation by the analytic diffraction compensation method in conjunction with spatial compounding as a useful tool for medical detection and diagnostic. / Tesis

El presente trabajo de investigación tuvo por finalidad investigar la posibilidad de separar partículas metálicas suspendidas en solventes orgánicos sobre películas de polietileno mediante el uso de ultrasonido.Para lograr este propósito, se llevó a cabo pruebas de separación de partículas metálicas suspendidas en solventes orgánicos, tales como mesitileno, querosene y gasolina de 84 octanos, con el propósito de establecer las condiciones experimentales más adecuadas para la separación de partículas de cobre y hierro inducidas por energía ultrasónica de alta intensidad. Posteriormente se estudió la separación de partículas metálicas en aceites lubricantes usados de cárter SAE 30 y SAE 40 con el propósito de determinar la naturaleza y concentración de cobre y hierro respectivamente.La caracterización de las propiedades fisicoquímicas de las partículas metálicas separadas por ultrasonido a partir de aceites lubricantes usados, se llevó a cabo usando microscopía óptica de luz incidente y microscopía electrónica de barrido (SEM). La determinación del contenido de cobre y hierro presente en las muestras metálicas separadas se hizo mediante análisis por espectrofotométria visible. Las pruebas experimentales llevadas a cabo demostraron que el solvente más adecuado para la dilución y separación de partículas metálicas a partir de aceites lubricantes ha sido querosene, siendo las mejores condiciones de separación, distancia sonicador-película, 8 mm; diámetro de película, 10 mm; potencia sónica, 270 W; temperatura, 50°C, tiempo de irradiación 15 min y amplitud de onda sónica 96 mm.Las pruebas finales se separación metálica demostraron porcentajes de recuperación en querosene del 98,0% para el hierro y del [97,0%] para el cobre respectivamente.

La neumonía es la principal causa de muerte en niños menores de 5 años a nivel mundial. Los métodos radiológicos ionizantes (Rayos X y Tomógrafos computarizados) son considerados los estudios de referencia para su detección. Sin embargo, los pacientes son expuestos a radiación durante la prueba, y el riesgo de daño es mayor en poblaciones pediátricas. El presente trabajo analiza los histogramas de espacios intercostales extraídos de videos ultrasónicos de pulmón en niños, para su clasificación entre sanos y enfermos, dentro de un video. Para ello, se trabajó con 15 videos de pacientes enfermos y 15 videos de pacientes sanos. Los espacios intercostales (región de interés) se encuentran debajo de la línea pleural en cada cuadro de video. Para identificar la línea pleural se implementó un algoritmo basado en el análisis del centroide de la imagen, donde se obtuvo las áreas que conforman la zona pleural, y mediante interpolación, los puntos de dicha línea. Estos puntos fueron determinantes para la segmentación de los espacios intercostales, ya que marcaron la referencia de inicio para la segmentación. Finalmente, de dichos espacios segmentados, se extrajeron características numéricas de oblicuidad, curtosis, desviación estándar, energía y promedio. El potencial de clasificación de las propiedades fue evaluado individualmente, en pares, y en un solo grupo de 5. Para el análisis de una sola característica, el umbral óptimo de clasificación fue seleccionado por Curva ROC (receiver operator characteristic); para el estudio de las características en pares, se usó análisis SVM (support vector machine) usando kernel RBF; y para el estudio de las 5 características en simultáneo se usó PCA (principal component analaysis) para hallar las dos componentes principales y aplicar SVM para la clasificación. Los resultados revelaron que el promedio es el mejor discriminador cuando se analizaba una sola característica, con 77% de sensibilidad, 75% de especificidad y 75% de exactitud. Cuando se analizó características en pares, el promedio y oblicuidad permitieron la mejor clasificación con 93% de sensibilidad, 86% de especificidad y 88% de exactitud. Finalmente, analizando las 5 características en simultáneo, los resultados fueron: 100% de sensibilidad, 98% de especificidad y 98% de exactitud. / Tesis

La neumonía es una enfermedad respiratoria de alto riesgo cuya tasa de mortandad en niños menores de 5 años es el 15% a nivel mundial, siendo esta la más alta según la Organización Mundial de la Salud [1]. Esta enfermedad afecta directamente a los alveolos llenándolos de pus lo cual tiene como consecuencia que la respiración sea dolorosa [1]. Para detectar la enfermedad se utiliza maquinaria que utiliza radiación ionizante la cual genera daños perjudiciales a los niños en crecimiento. Adicionalmente, para lograr la adquisición de estas maquinarias se requiere infraestructura adecuada para hacer la toma de las imágenes, generando costos elevados. Alternativamente, se han realizado investigaciones con respecto al diagnóstico utilizando ultrasonido las cuales tienen grados de sensibilidad y especificidad que se encuentran por encima del 80% [10]. El problema de utilizar ultrasonido es que las imágenes no siempre se ven de buena calidad por lo que es necesario un entrenamiento previo para detectar neumonía en las imágenes ecográficas. Adicionalmente, al tratarse de un diagnóstico subjetivo es necesario contar con personal que tenga experiencia en imágenes de ultrasonido para lograr un diagnóstico adecuado. El presente trabajo de investigación desarrolló algoritmos basados en las características del tórax en las imágenes ecográficas para poder detectar neumonía en niños cuyas edades oscilan entre 6 meses y 5 años. Para este fin, se generó una base de datos con niños diagnosticados como sanos y enfermos por médicos de la Universidad Tulane en Nueva Orleans y de la Universidad Peruana Cayetano Heredia. A partir de dicha base de datos, se utilizó técnicas de umbralización [22] y de un algoritmo de flujo óptico [24] con puntos de corte variables para desarrollar un código que permita determinar si un paciente tiene o no neumonía. En tal sentido, se logró codificar un algoritmo utilizando métodos de umbralización cuya exactitud media fue del 83.9% con un coeficiente de variación de 0.06 y un algoritmo de flujo óptico cuya exactitud media fue del 80% con un coeficiente de variación de 0.15. Dichos resultados son alentadores debido a la cercanía en exactitud en comparación con los diagnósticos clínicos mostrados en el presente documento. Finalmente, se hizo la comparación de ambos métodos así como las recomendaciones necesarias para futuras investigaciones. / Tesis

En la actualidad, diversas técnicas de elastografía buscan caracterizar tejidos para obtener parámetros de visco-elasticidad y poder identificar anomalías de forma no invasiva. Esta metodología se basa en la correlación de la variación de las propiedades mecánicas de los tejidos con cambios patológicos de los mismos, lo cual permite hallar anomalías en diferentes zonas del cuerpo. Dentro de estas técnicas, la sonoelastografía involucra un conjunto de métodos basados en la excitación mecánica del tejido para obtener parámetros de elasticidad relativa o absoluta, dependiendo de la modalidad del ensayo. Esta técnica se puede implementar en escáneres ultrasónicos comerciales que tengan la capacidad de generar imágenes modo Doppler, de forma que se puedan visualizar las señales sonoelastográficas deseadas, con la adición de vibradores externos a determinada frecuencia y amplitud de vibración. En la presente investigación se desarrolla una metodología para caracterizar la implementación del método de sonoelastografía, mediante el estudio de dos parámetros de un ecógrafo de investigación. Estos dos parámetros son: la frecuencia de repetición de pulso y el número de cuadros promedio para la estimación Doppler. Mediante el análisis del comportamiento de las señales en función la relación de estos dos parámetros, se modelarán las señales obtenidas en simulaciones y experimentos. En este sentido, se caracterizó el ecógrafo de investigación mediante la definición de una relación lineal entre ambos parámetros relacionada a la periodicidad de la señal. Asimismo, se analizó el efecto de ambos parámetros, concluyendo que para menores valores de frecuencia de repetición de pulso, el sistema aumenta su sensibilidad, ya que es capaz de medir señales a bajos valores de amplitud de vibración con una variabilidad menor al 10%. No obstante, su rango de medición para esta variabilidad es muy limitado. Esta limitación de rango se reduce al aumentar el valor de frecuencia de repetición de pulso. En contraste, a mayores valores de frecuencia de repetición de pulso, la sensibilidad del sistema se reduce, no pudiendo medir amplitudes de vibración pequeñas. Los resultados obtenidos se correlacionan en simulaciones y experimentos. / Tesis

Los exámenes médicos y operaciones quirúrgicas utilizan sistemas de seguimiento espacial para realizar un mejor diagnóstico y registrar el movimiento de los instrumentos de medición o cirugía, respectivamente. Estos sistemas, conformados por componentes sofisticados y un complejo nivel de procesamiento, son por lo general de costo elevado debido al grado de precisión y exactitud requerido. El objetivo de la presente tesis es diseñar e implementar un sistema de seguimiento alternativo en coordenadas de traslación de un transductor ultrasónico, registrando el movimiento que realiza en cada uno de los ejes cartesianos (x, y, z) al momento de efectuar un examen ecográfico. El sistema desarrollado cuenta con un trasmisor de campo magnético y un sensor adosado al transductor que mide los vectores de campo y es controlado por un micro-controlador ATMEGA8. Se implementó un modelamiento matemático en Matlab para convertir los valores de campo a coordenadas espaciales. En este trabajo se muestra además, los métodos de calibración del sistema y los resultados de los ensayos realizados sobre patrones de trayectorias conocidas. El desempeño del sistema construido se evaluó cuantificando la precisión y exactitud del mismo, comparándolo con un sistema óptico basado en un mouse de computadora. / Tesis