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

La elastografía es una modalidad de imagen médica que estima la viscoelasticidad de los tejidos blandos, permitiendo la diferenciación cuantitativa entre región sana y región afectada. Diversas técnicas convencionales se basan en la detección de las ondas de corte y la relación de su velocidad de propagación con la elasticidad del medio. Estas asumen que dicha propagación es unidireccional. Sin embargo, las heterogeneidades y fronteras de los tejidos generan reflejos, provocando artefactos en las estimaciones. Es por ello, que en los últimos tres años se ha desarrollado la técnica de elastografía por campo reverberante de ondas de corte, la cual presenta resultados prometedores en su aplicación clínica. Este nuevo enfoque hace uso de múltiples fuentes de vibración armónica controlada con el fin de aprovechar la naturaleza reverberante de los tejidos y producir un campo difuso en la región de interés. No obstante, la generación de dicho campo, la calidad del mismo y su relación con el desempeño de los estimadores son condiciones poco exploradas. Por ello, el presente trabajo tiene como objetivo principal realizar un estudio experimental para evaluar la generación de campo reverberante de ondas de corte en medio homogéneos. Así, se describen el procedimiento teórico-experimental y los resultados obtenidos de las simulaciones numéricas y los experimentos con maniquí de gelatina. El primero se basó en el método de simulación de Monte Carlo, mientras que el segundo consistió en la aplicación de combinatoria extrema con el fin de evaluar el efecto de superposición de fuentes de vibración externa. En ambos, se analizó la generación de campo reverberante con base en el parámetro de calidad derivado de la similitud de lo obtenido con los modelos teóricos: el coeficiente de determinación (𝑅2). Asimismo, se evaluó el desempeño de tres estimadores de la velocidad de propagación de las ondas de corte (𝐶𝑠): el ajuste de curva a las funciones teóricas (CF), la aproximación del número de onda (AoW), y, se propuso, una modificación en la aproximación del número de onda (MAoW). Finalmente, las simulaciones numéricas mostraron que son necesarios al menos 60 ondas planas incidentes para generar el campo reverberante deseado. La tendencia general es que, al aplicar más ondas incidentes, el coeficiente de determinación mejora y el error de estimación disminuye. Así, se reportó un error menor al 6% en la velocidad media estimada de la propagación de las ondas de corte. Los experimentos con maniquí de gelatina mostraron una tendencia similar. Se demostró que era posible la creación de un campo reverberante basado en la superposición de ondas incidentes. Así mismo, se determinó que, en medios homogéneos, isotrópicos y con baja atenuación, es posible obtener reverberación con un número limitado de puntos de contacto, aunque no de manera homogénea. De esta manera, se concluye que el coeficiente de determinación, en conjunto con la precisión y exactitud de los estimadores CF y/o MAoW, proporciona indicios en el éxito de generación de campo reverberante.

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).

La elastografía es una modalidad de imagen médica que estima la viscoelasticidad de los tejidos, permitiendo la diferenciación cuantitativa entre región sana y región afectada [1]. Diversas técnicas convencionales se basan en la detección de las ondas de corte y la relación de su velocidad de propagación con la elasticidad del medio [2]. Estas asumen que dicha propagación es unidireccional. Sin embargo, las heterogeneidades y fronteras de los tejidos generan reflejos, provocando artefactos en las estimaciones [3]. Es por ello, que en los últimos tres años se ha desarrollado la técnica de elastografía por campo reverberante de ondas de corte, la cual presenta resultados prometedores en su aplicación clínica [3]–[8]. Este nuevo enfoque hace uso de múltiples fuentes de vibración armónica controlada con el fin de aprovechar la naturaleza reverberante de los tejidos y producir un campo difuso en la región de interés. No obstante, la generación de dicho campo, la calidad del mismo y su relación con el desempeño de los estimadores son condiciones poco exploradas. Por ello, el presente trabajo tiene como propósito delinear el objetivo principal, los objetivos específicos y el modelo de solución para realizar un futuro estudio experimental con el fin de evaluar la generación de campo reverberante de ondas de corte en medio homogéneos. Así, se describe el procedimiento teórico para la realización de simulaciones numéricas y experimentos con maniquí de gelatina. El primero se basa en el método de simulación de Monte Carlo, mientras que el segundo consiste en la aplicación de combinatoria extrema con el fin de evaluar el efecto de superposición de fuentes de vibración externa. En ambos, se analizará la generación de campo reverberante con base en el parámetro de calidad derivado de la similitud de lo obtenido con los modelos teóricos [8]: el coeficiente de determinación (R2). Asimismo, se evaluará el desempeño de tres estimadores de la velocidad de propagación de las ondas de corte (Cs): el ajuste de curva a las funciones teóricas [8], la aproximación del número de onda [3], [4], y, se propone, una modificación en la aproximación del número de onda.

La elastografía por ultrasonido es una técnica de imagen no invasiva cuyo objetivo es brindar información acerca de la elasticidad de los tejidos biológicos evaluando sus propiedades biomecánicas. Proporciona información valiosa sobre su rigidez, la cual está relacionada a los cambios biomecánicos ocasionados por condiciones patológicas. Esto la convierte en una herramienta valiosa para el diagnóstico y el seguimiento del tratamiento de enfermedades como el cáncer. Uno de los métodos de elastografía cuantitativa se basa en el uso de dos fuentes de vibración para generar un patrón de interferencia en el tejido. La onda de corte puede visualizarse en tiempo real mediante sonoelastografía y debe aplicarse un esquema de inversión para recuperar la velocidad de la onda de corte a partir de varios fotogramas. Sin embargo, los estimadores estudiados en la literatura exhiben algunas limitaciones tales como un pobre rendimiento en entornos ruidosos y prolongados tiempos de adquisición y procesamiento para aplicaciones en tiempo real. En esta tesis se proponen e implementan dos algoritmos, basados en la transformada de Fourier de tiempo corto y la transformada Wavelet continua, para la estimación de la velocidad de la onda de corte. Se fabricaron maniquíes homogéneos y heterogéneos de gelatina para ´ evaluar el rendimiento de los algoritmos en condiciones controladas. Se realizaron experimentos de sonoelastografía a diferentes frecuencias de vibración para evaluar su precisión en una serie de escenarios. Los resultados demuestran que los algoritmos desarrollados son comparables a los estimadores existentes en términos de sesgo, coeficiente de variación, relación contraste-ruido y resolución. En medios homogéneos, el coeficiente de variación se mantuvo debajo del 10% para ambos estimadores y, en medios heterogéneos, la transformada Wavelet continua alcanzo una relación contraste-ruido de 30 dB en promedio. En general, los algoritmos muestran una robustez superior, sobre todo en presencia de una relación señal-ruido deficiente y en tejidos más rígidos con velocidades de onda de corte más elevadas. Se demostró que los algoritmos propuestos no necesitan todo el vídeo de sonoelastografía para generar un mapa de velocidad de la onda de corte, sino un solo fotograma. Esto permite la visualización en tiempo real de la velocidad de la onda de corte, lo que puede beneficiar a diversas aplicaciones clínicas. / Ultrasound elastography is a noninvasive imaging technique that aims to provide information about the elasticity of biological tissues by evaluating their biomechanical properties. It provides valuable information about their stiffness, which is related to biomechanical changes caused by pathological conditions. This makes it a valuable tool for diagnosing and monitoring the treatment of diseases such as cancer. One of the quantitative elastography methods is based on the use of two vibration sources to generate an interference pattern in the tissue. The shear wave can be visualized in real time by sonoelastography and an inversion scheme must be applied to recover the shear wave velocity from several frames. However, estimators studied in the literature exhibit some limitations such as poor performance in noisy environments, and long acquisition and processing times for real-time applications. In this thesis, two algorithms, based on the Short-Time Fourier Transform and the Continuous Wavelet Transform, are proposed and implemented for shear wave velocity estimation. Homogeneous and heterogeneous gelatin phantoms were fabricated to evaluate the performance of the algorithms under controlled conditions. Sonoelastography experiments were performed at different vibration frequencies to evaluate their accuracy in a range of scenarios. The results show that the developed algorithms are comparable to existing estimators in terms of bias, coefficient of variation, contrast-to-noise ratio and resolution. In homogeneous media, the coefficient of variation remained below 10% for both estimators and, in heterogeneous media, the Continuous Wavelet Transform achieved a contrast-to-noise ratio of 30 dB on average. In general, the algorithms show superior robustness, especially in the presence of poor signal-to-noise ratio and in stiffer tissues with higher shear wave velocities. It was shown that the proposed algorithms do not need the entire sonoelastography video to generate a shear wave velocity map, but only a single frame. This allows real-time visualization of the shear wave velocity, which can benefit various clinical applications.