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

Mudanças nas características mecânicas de tecidos biológicos geralmente estão relacionadas com algum tipo de patologia. Técnicas de imagens elastográficas são métodos quantitativos de se estimar as propriedades mecânicas de tecidos. Em geral, o objetivo destas técnicas de imagem é medir o movimento do tecido provocado por uma força interna ou externa. Por meio desse movimento, parâmetros viscoelásticos do meio em análise são reconstruídos. A força de excitação pode ser tanto quasi-estática, como dinâmica. O trabalho apresentado nesta tese aborda as técnicas de elastografia dinâmica e quasi-estática. Na abordagem quasi-estática, a elasticidade não-linear é estudada através de phantoms com características que simulam as do tecido humano. Na abordagem dinâmica, o movimento dinâmico promovido por força de radicação acústica é avaliado através de técnicas ultrassônicas e magnéticas. O desenvolvimento de materiais para serem usados como phantoms para elastografia por ultrassom é descrito. O comportamento elástico não-linear desses materiais foi analisado através de resultados de ensaios mecânicos. Esses materiais foram desenvolvidos para apresentarem uma relação tensão/deformação que não dependesse do módulo de cisalhamento para pequenas deformações, e foram projetados para serem usados em phantoms em que configurações heterogêneas são empregadas (por exemplo, phantoms com inclusões esféricas). O efeito da não-linearidade elástica dos materiais sobre o contraste, a relação sinal ruído e a relação contraste ruído de imagens elastográficas de um phantom contendo inclusões esféricas, sofrendo altas deformações (até 20%) foi investigada. Foi demonstrada a viabilidade de se medir movimentos vibratórios induzidos por feixes acústicos confocais através de um ultrassom Doppler que utiliza ondas contínuas. A interferência de feixes de ultrassom com pequena diferença de frequências provoca o aparecimento de uma força dinâmica no alvo. Foi demonstrada a formação de imagens de uma esfera rígida imersa em um phantom viscoelástico, através da varredura de ambos os transdutores (confocal e Doppler) pelo plano focal do transdutor confocal. O comportamento dinâmico de uma esfera magnetizada induzido por força de radicação acústica foi investigado. A esfera foi suspensa em água em configuração de pêndulo. Forcas estática de longa (poucos segundos) e curta (poucos milisegundos) duração foram utilizadas. O movimento da esfera foi medido através de um sensor magnetoresistivo. A partir da nova posição de equilíbrio em resposta à força de radicação de longa duração, a amplitude dessa força foi estimada. Para se estimar a viscosidade da água, o movimento de relaxação da esfera após a força ter sido desligada foi ajustado a um modelo de movimento-harmônico amortecido. O movimento de uma esfera rígida imersa em um phantom feito de gelatina, deslocada por força de radicação acústica, foi avaliado por meio de ecos ultrassônicas obtidos com um sistema pulso/eco. A teoria utilizada para se estimar os parâmetros viscoelásticos do phantom, usando o movimento induzido na esfera, é uma extensão da teoria usada para se estimar a viscosidade da água. / Changes in the mechanical properties of soft tissues may be related with pathological disorders. Elasticity imaging is a quantitative method of estimating the mechanical properties of the tissue. In general, the aim of this technique is to measure tissue motion caused by external or internal forces and use it to reconstruct the viscoelastic parameters of the medium. The excitation stress used can be (quasi-) static or dynamic. Both elastographic approaches are explored in this thesis work. In the quasi-static approach, the nonlinear elasticity is studied through tissue-mimicking phantom experiments. In the dynamic approach, the dynamic motion provided through acoustic radiation force is evaluated using ultrasonic and magnetic techniques. The development of phantom materials for elasticity imaging is reported. These materials were specifically designed to provide nonlinear stress/strain relationship that can be controlled independently of the small strain shear modulus of the material, and were designed for use in phantoms where heterogeneous configurations (e.g, spherical targets in a uniform background) are employed. The effects of phantom materials nonlinearity over the strain contrast, signal-to-noise ratio and contrast-to-noise ratio of a phantom containing spherical inclusions undergoing large deformations (up to 20%) were investigated.The feasibility of measuring vibration movement, through a mono-channel continuous wave Doppler system, induced by focused confocal beams, is demonstrated. The interference of two ultrasonic beams promotes a dynamic force to the target. The ability to form images of a rigid spherical inhomogeneity embedded in viscoelastic phantom by scanning both ultrasonic transducers (confocal and Doppler) across the confocal transducer focal plane is presented. The dynamic behavior of a rigid magnetic sphere induced by an acoustic radiation force was investigated. The sphere was suspended in water in a simple pendulum configuration. Steady forces of long (few seconds) and short (few milliseconds) durations were used. The movement of the magnetic sphere was tracked using a magnetoresistive sensor. From the new equilibrium position of the sphere in response to the long-duration static radiation force, the amplitude of this force was estimated. To access the water viscosity, the relaxation movement after the acoustic force had stopped was fitted to a harmonic-motion model. The motion of a rigid sphere embedded in gelatin phantom, displaced by acoustic radiation force, was evaluated using the ultrasonic echoes from a pulse-echo system. The theory used to estimate the viscoelastic parameters of the phantom, from the oscillation of the rigid sphere is an extension of the relation used to estimate the water viscosity.

Mudanças nas características mecânicas de tecidos biológicos geralmente estão relacionadas com algum tipo de patologia. Técnicas de imagens elastográficas são métodos quantitativos de se estimar as propriedades mecânicas de tecidos. Em geral, o objetivo destas técnicas de imagem é medir o movimento do tecido provocado por uma força interna ou externa. Por meio desse movimento, parâmetros viscoelásticos do meio em análise são reconstruídos. A força de excitação pode ser tanto quasi-estática, como dinâmica. O trabalho apresentado nesta tese aborda as técnicas de elastografia dinâmica e quasi-estática. Na abordagem quasi-estática, a elasticidade não-linear é estudada através de phantoms com características que simulam as do tecido humano. Na abordagem dinâmica, o movimento dinâmico promovido por força de radicação acústica é avaliado através de técnicas ultrassônicas e magnéticas. O desenvolvimento de materiais para serem usados como phantoms para elastografia por ultrassom é descrito. O comportamento elástico não-linear desses materiais foi analisado através de resultados de ensaios mecânicos. Esses materiais foram desenvolvidos para apresentarem uma relação tensão/deformação que não dependesse do módulo de cisalhamento para pequenas deformações, e foram projetados para serem usados em phantoms em que configurações heterogêneas são empregadas (por exemplo, phantoms com inclusões esféricas). O efeito da não-linearidade elástica dos materiais sobre o contraste, a relação sinal ruído e a relação contraste ruído de imagens elastográficas de um phantom contendo inclusões esféricas, sofrendo altas deformações (até 20%) foi investigada. Foi demonstrada a viabilidade de se medir movimentos vibratórios induzidos por feixes acústicos confocais através de um ultrassom Doppler que utiliza ondas contínuas. A interferência de feixes de ultrassom com pequena diferença de frequências provoca o aparecimento de uma força dinâmica no alvo. Foi demonstrada a formação de imagens de uma esfera rígida imersa em um phantom viscoelástico, através da varredura de ambos os transdutores (confocal e Doppler) pelo plano focal do transdutor confocal. O comportamento dinâmico de uma esfera magnetizada induzido por força de radicação acústica foi investigado. A esfera foi suspensa em água em configuração de pêndulo. Forcas estática de longa (poucos segundos) e curta (poucos milisegundos) duração foram utilizadas. O movimento da esfera foi medido através de um sensor magnetoresistivo. A partir da nova posição de equilíbrio em resposta à força de radicação de longa duração, a amplitude dessa força foi estimada. Para se estimar a viscosidade da água, o movimento de relaxação da esfera após a força ter sido desligada foi ajustado a um modelo de movimento-harmônico amortecido. O movimento de uma esfera rígida imersa em um phantom feito de gelatina, deslocada por força de radicação acústica, foi avaliado por meio de ecos ultrassônicas obtidos com um sistema pulso/eco. A teoria utilizada para se estimar os parâmetros viscoelásticos do phantom, usando o movimento induzido na esfera, é uma extensão da teoria usada para se estimar a viscosidade da água. / Changes in the mechanical properties of soft tissues may be related with pathological disorders. Elasticity imaging is a quantitative method of estimating the mechanical properties of the tissue. In general, the aim of this technique is to measure tissue motion caused by external or internal forces and use it to reconstruct the viscoelastic parameters of the medium. The excitation stress used can be (quasi-) static or dynamic. Both elastographic approaches are explored in this thesis work. In the quasi-static approach, the nonlinear elasticity is studied through tissue-mimicking phantom experiments. In the dynamic approach, the dynamic motion provided through acoustic radiation force is evaluated using ultrasonic and magnetic techniques. The development of phantom materials for elasticity imaging is reported. These materials were specifically designed to provide nonlinear stress/strain relationship that can be controlled independently of the small strain shear modulus of the material, and were designed for use in phantoms where heterogeneous configurations (e.g, spherical targets in a uniform background) are employed. The effects of phantom materials nonlinearity over the strain contrast, signal-to-noise ratio and contrast-to-noise ratio of a phantom containing spherical inclusions undergoing large deformations (up to 20%) were investigated.The feasibility of measuring vibration movement, through a mono-channel continuous wave Doppler system, induced by focused confocal beams, is demonstrated. The interference of two ultrasonic beams promotes a dynamic force to the target. The ability to form images of a rigid spherical inhomogeneity embedded in viscoelastic phantom by scanning both ultrasonic transducers (confocal and Doppler) across the confocal transducer focal plane is presented. The dynamic behavior of a rigid magnetic sphere induced by an acoustic radiation force was investigated. The sphere was suspended in water in a simple pendulum configuration. Steady forces of long (few seconds) and short (few milliseconds) durations were used. The movement of the magnetic sphere was tracked using a magnetoresistive sensor. From the new equilibrium position of the sphere in response to the long-duration static radiation force, the amplitude of this force was estimated. To access the water viscosity, the relaxation movement after the acoustic force had stopped was fitted to a harmonic-motion model. The motion of a rigid sphere embedded in gelatin phantom, displaced by acoustic radiation force, was evaluated using the ultrasonic echoes from a pulse-echo system. The theory used to estimate the viscoelastic parameters of the phantom, from the oscillation of the rigid sphere is an extension of the relation used to estimate the water viscosity.

Submitted by PAULO HENRIQUE DE SOUZA GARCIA null (paulousvet@gmail.com) on 2016-08-16T11:40:16Z No. of bitstreams: 1 Ultrassonografia convencional e Elastografia ARFI na aaliação renal e gatos adultos hígidos.pdf: 2204900 bytes, checksum: 6acbf410866645d13616b8dc7610bd26 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-08-16T14:18:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 garcia_phs_me_jabo.pdf: 2204900 bytes, checksum: 6acbf410866645d13616b8dc7610bd26 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-16T14:18:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 garcia_phs_me_jabo.pdf: 2204900 bytes, checksum: 6acbf410866645d13616b8dc7610bd26 (MD5) Previous issue date: 2016-07-13 / O exame ultrassonográfico convencional tem baixa especificidade para detecção de alterações difusas, no entanto, o aumento da ecogenicidade renal é um dos achados mais comuns em cães e gatos com nefropatia. O objetivo deste estudo foi descrever a técnica de elastografia por irradiação da força de impulso acústico (ARFI) na avaliação dos rins de gatos adultos hígidos, e determinar os valores de referência. Foram incluídos neste trabalho dez gatos de pelo curto, adultos e saudáveis. Após sedação, foi realizada uma ampla tricotomia abdominal, para a realização do exame ultrassonográfico. O exame convencional, em Modo B foi realizado com um transdutor linear de 9,0 MHz usando equipamento de ultrassom ACUSON S2000 / SIEMENS (Siemens, Munique, Alemanha). A ecogenicidade, ecotextura, o tamanho e contornos renais foram avaliados. Com o mesmo transdutor, a elastografia foi realizada utilizando software para comparação das análises qualitativa e quantitativa do método. A elastografia qualitativa detectou a presença de deformidades e as velocidades de cisalhamento em diferentes locais (cranial, média e caudal) das regiões cortical e medular em ambos os rins. Os achados ultrassonográficos foram considerados normais em todos os gatos, sem alterações em arquitetura ou ecogenicidade renal. A elastografia qualitativa demonstrou que o córtex renal era deformável e apresentou áreas cinza escuro homogêneas; pelve renal tinha pouca rigidez (branca); e da medula mostrou um padrão de mosaico. Os resultados de velocidade de onda de cisalhamento foram diferentes em regiões cranial, média e caudal do córtex e medula: 2,46 m/s ± 0,45 m/s; 2,46m/s ± 0,48 m/s e 2, 37 m/s ± 0, 42 m/s (P = 0,795) no córtex e 1,61 m/s ± 0,69 m/s, 1,75 m/s ± 0,66 m/s e 2,00 m/s ± 0,55 m/s (P = 0,156) na medula, respectivamente. A ARFI quantitativa e qualitativa do rim em gatos adultos foi realizada facilmente e este estudo forneceu valores de referência para a caracterização da normalidade do parênquima renal em gatos hígidos. / Conventional ultrasonography has low specificity to detect diffuse changes, however, increased renal echogenicity is one of the most common findings in dogs and cats with nephropathy. The objective of this study was to describe elastography by acoustic radiation force impulse (ARFI) in the assessment of adult cats' kidneys and determine reference values. Ten healthy adults short hair cats were included. After sedation, abdominal hair was clipped in order to perform ultrasound exams. The conventional examination (B-mode) was performed with a 9.0 MHz linear array transducer ultrasound equipment using ACUSON S2000/Siemens (Siemens, Munich, Germany). Echogenicity, echotexture, size and contours of each kidney were evaluated. With the same transducer, elastography was performed using a software that compares qualitative and quantitative analysis. Qualitative elastography detected deformities and shear wave velocity rates in different portions (cortical and medulla' cranial, media and caudal regions). The sonographic findings were normal in all cats, with no changes in renal architecture or echogenicity. Qualitative elastography showed that renal cortex was softer with dark gray homogeneous areas; renal pelvis presented lower stiffness (white); and medulla showed a mosaic pattern. Shear wave velocities were obtained in cranial, medial, and caudal regions of the cortex and medulla: 2.46 m/s ± 0.45m/s; 2,46m/s ± 0.48 m/ s 2,37 m/s ± 0, 42 m/s (P = 0.795) in the cortex and 1.61 m/s ± 0.69 m/s 1.75 m/s ± 0.66 m/s and 2.00m/s ± 0.55m/s (P = 0.156) in medulla, respectively. Quantitative and qualitative ARFI kidney in adult cats was easily accomplished and this study was able to provide values for the characterization of the normal renal parenchyma in healthy cats.

Este trabalho apresenta uma análise sobre um novo método de formação de imagem, utilizando aparelhos de ultra-som a elastografia. Esta técnica baseia-se no fato de que quando um meio elástico, como o tecido, é deformado por uma tensão constante e uniaxial, todos os pontos no meio possuem um nível de deformação longitudinal cujo componente principal está ao longo do eixo de deformação. Se elementos do tecido possuem um módulo elástico diferente dos demais, a deformação nestes elementos será relativamente maior ou menor. Elementos mais rígidos geralmente deformam-se menos. Desta forma, pode-se mapear e identificar estruturas com diferentes níveis de dureza. A comparação entre os mapas de RF de pré e pós-deformação foi realizada pela técnica de block matching. Esta técnica consiste em comparar regiões, ou kernels, no mapa de pré-deformação com regiões de mesmo tamanho no mapa de pós-deformação. Esta comparação é feita pela minimização de uma função custo. Nesta técnica, o tamanho do kernel, é um dos principais parâmetros para melhorar a precisão das medidas de deslocamento. O principal objetivo neste trabalho é aperfeiçoar o algoritmo de block matching visando melhorar a precisão da determinação de deslocamento em técnicas de deformação dinâmica e estática, mantendo o custo computacional baixo. Para isto, foram utilizados phantoms com e sem inclusões mais duras que o meio. Os phantoms foram submetidos a deformações estáticas e dinâmicas. Foi possível determinar o comportamento destes phantoms sob estas formas de deformação, e as faixas de kernel e funções custo que forneceram os melhores resultados. Também foram gerados elastogramas do phantom com inclusão. Estas imagens permitiram avaliar a influência dos diferentes kernels sobre a resolução dos elastogramas e a capacidade em diferenciar a lesão do tecido circundante. Comparando os elastogramas obtidos sobre deformação dinâmica, utilizando os kernels que apresentaram o melhor desempenho, com as respectivas imagens em modo B, pôde-se observar que a inclusão estava clara e bem delimitada. / This work provides an analysis about a new method for image formation using ultrasound devices elastography. This technique is based on the fact that when an elastic medium, as the tissue, is deformed under a constant and directional stress, all the points in the medium have a deformation level whose main component is along the deformation axis. If tissues elements have different elastic modules, the deformation in these elements will be higher or lower. Normally harder elements have lower deformations. In this way, one can detect and identify structures with different elastic levels. The comparisons between the pre and post-deformation RF maps were done by the block matching technique. This technique is based on the comparison of regions, or kernels, in the pre-deformation maps with regions of the same size in the post-deformation map. This is done by the minimization of a cost function. In this technique, the kernel size is one of the most important parameters to obtain better resolution and precision in the displacement measurements. The goal of this work is to optimize the block matching algorithm to improve the displacement estimates precision in both dynamic and static deformations, while keeping a low computational cost. To obtain this, we used phantoms with and without inclusions harder than the medium. These phantoms were submitted to both static and dynamic deformations. It was possible to estimate the behavior of these phantoms under these deformations, and the kernel range and cost functions that provided the best results. Also, we generated the elastograms of the phantom with the inclusion. These images allowed us to evaluate the influence of the different kernel sizes under the elastograms resolution and their capability in differentiate the lesion from the embedding tissue. Comparing the elastograms obtained under dynamic deformation that had the best performance, with the B mode images, we could conclude that the inclusion was well delimited and clear.

Este trabalho apresenta uma análise sobre um novo método de formação de imagem, utilizando aparelhos de ultra-som a elastografia. Esta técnica baseia-se no fato de que quando um meio elástico, como o tecido, é deformado por uma tensão constante e uniaxial, todos os pontos no meio possuem um nível de deformação longitudinal cujo componente principal está ao longo do eixo de deformação. Se elementos do tecido possuem um módulo elástico diferente dos demais, a deformação nestes elementos será relativamente maior ou menor. Elementos mais rígidos geralmente deformam-se menos. Desta forma, pode-se mapear e identificar estruturas com diferentes níveis de dureza. A comparação entre os mapas de RF de pré e pós-deformação foi realizada pela técnica de block matching. Esta técnica consiste em comparar regiões, ou kernels, no mapa de pré-deformação com regiões de mesmo tamanho no mapa de pós-deformação. Esta comparação é feita pela minimização de uma função custo. Nesta técnica, o tamanho do kernel, é um dos principais parâmetros para melhorar a precisão das medidas de deslocamento. O principal objetivo neste trabalho é aperfeiçoar o algoritmo de block matching visando melhorar a precisão da determinação de deslocamento em técnicas de deformação dinâmica e estática, mantendo o custo computacional baixo. Para isto, foram utilizados phantoms com e sem inclusões mais duras que o meio. Os phantoms foram submetidos a deformações estáticas e dinâmicas. Foi possível determinar o comportamento destes phantoms sob estas formas de deformação, e as faixas de kernel e funções custo que forneceram os melhores resultados. Também foram gerados elastogramas do phantom com inclusão. Estas imagens permitiram avaliar a influência dos diferentes kernels sobre a resolução dos elastogramas e a capacidade em diferenciar a lesão do tecido circundante. Comparando os elastogramas obtidos sobre deformação dinâmica, utilizando os kernels que apresentaram o melhor desempenho, com as respectivas imagens em modo B, pôde-se observar que a inclusão estava clara e bem delimitada. / This work provides an analysis about a new method for image formation using ultrasound devices elastography. This technique is based on the fact that when an elastic medium, as the tissue, is deformed under a constant and directional stress, all the points in the medium have a deformation level whose main component is along the deformation axis. If tissues elements have different elastic modules, the deformation in these elements will be higher or lower. Normally harder elements have lower deformations. In this way, one can detect and identify structures with different elastic levels. The comparisons between the pre and post-deformation RF maps were done by the block matching technique. This technique is based on the comparison of regions, or kernels, in the pre-deformation maps with regions of the same size in the post-deformation map. This is done by the minimization of a cost function. In this technique, the kernel size is one of the most important parameters to obtain better resolution and precision in the displacement measurements. The goal of this work is to optimize the block matching algorithm to improve the displacement estimates precision in both dynamic and static deformations, while keeping a low computational cost. To obtain this, we used phantoms with and without inclusions harder than the medium. These phantoms were submitted to both static and dynamic deformations. It was possible to estimate the behavior of these phantoms under these deformations, and the kernel range and cost functions that provided the best results. Also, we generated the elastograms of the phantom with the inclusion. These images allowed us to evaluate the influence of the different kernel sizes under the elastograms resolution and their capability in differentiate the lesion from the embedding tissue. Comparing the elastograms obtained under dynamic deformation that had the best performance, with the B mode images, we could conclude that the inclusion was well delimited and clear.

Este trabalho teve como objetivo estudar um caso específico de epilepsia refratária causada por uma má formação no tecido cerebral, denominada displasia cortical focal (DCF). Por ser uma má formação no cérebro, suas consequências aparecem desde a infância, em que ela, a DCF, é a principal causadora das epilepsias de caso refratário. O mapeamento da região com DCF geralmente é feito por meio de imagens de ressonância magnética em conjunto com outras técnicas, como, por exemplo, o PET (positron emission tomography), o EEG (eletroencefalograma) intracraniano, entre outras. Contudo, por serem técnicas muito caras, de difícil realização ou muito invasivas, e por sabermos que as regiões displásicas possuem uma rigidez diferente da do restante do cérebro, foi proposto nesta dissertação o estudo desses casos utilizando uma técnica barata, simples, não invasiva e sensível à rigidez tecidual, a elastografia por ultrassom, na qual, para causar a deformação do tecido cerebral, foram usadas próprias artérias internas do cérebro. Para tal estudo, criamos um algoritmo de processamento de dados com uma interface gráfica GUI (graphical user interface) capaz de mudar os parâmetros de processamento e ver seus resultados em tempo real. Em seguida, esse algoritmo foi estudado em um ambiente controlado em material mimetizador de tecido biológico (phantom), no qual construímos um bloco de 10 x 10 x 12cm3, preenchido com material que mimetiza as propriedades mecânicas e acústicas do tecido mole e inserimos nele uma bexiga canudo preenchida com um uido simulador de sangue e uma inclusão mais rígida do que a base do material, posicionada acima do canudo. Foi utilizado, também, um acionador mecânico pulsátil para simular a pulsação mecânica equivalente à pulsação sanguínea da artéria cerebral. Foram feitas imagens elastográcas e de velocidade utilizando somente a deformação causada pelo deslocamento da bexiga, no interior do phantom, e, através de uma transformada de Fourier, foi calculado o período de pulsação da bexiga. Vimos que as imagens elastográcas e de velocidade foram capazes de localizar a inclusão, e o processamento temporal pode nos mostrar com precisão a frequência de pulsação da bexiga canudo. Finalizada essa etapa laboratorial, zemos o mesmo procedimento, porém in vivo, para dois casos: um com DCF tipo III-B, no qual não enxergávamos nada no modo B; e outro com tipo II-B, no qual foi observado uma diferença de impedância mecânica pelo modo B. As imagens foram coletadas durante o procedimento cirúrgico pelo próprio cirurgião usando um transdutor microconvexo acoplado a uma plataforma de ultrassom, modelo Sonix RP, e processadas num segundo momento. Vimos, no primeiro caso, pelas imagens elastográcas, as regiões mais rígidas, supostamente displásicas, que não estavam aparecendo no modo B e, no segundo caso, uma região maior do que a apresentada no modo B. Nossos resultados das medidas de frequência da pulsação arterial, para ambas as situações, 61; 5BPM e 91BPM, caram bastante próximos do valor medido com o eletrocardiograma durante a coleta do sinal, 65BPM e 94BPM, respectivamente. Por meio dos resultados da análise histológica, pudemos conrmar que o que estávamos enxergando com nosso programa era realmente uma região displásica. Dessa forma, concluímos que nosso algoritmo funcionou bem para esses casos clínicos. / The mainly goal of this work was to study a specic case of refractory epilepsy generated by a malformation in the brain tissue, called focal cortical dysplasia (FCD). Due the fact it is a brain malformation its eects show up since the childhood where it is the principal epilepsy generator. The mapping of this region is usually made by magnetic resonance images with another technique, such as, for instance, the PET (position emition tomography), the EEG (electrocardiogram), and others. However, for the fact that these techniques are expensive, dicult to perform or invasive, and knowing that the dysplastic regions are stier than the regular brain tissue, it was proposed in this dissertation the use of ultrasound elastography as a cheaper, simpler and noninvasive image modality capable to detect dierences in the tissue stiness of the FCD region. To generate the strain in the brain tissue it was used the pulsation of the local arteries. To achieve our goal, we created a data processing algorithm in MATLAB with a graphic user interface (GUI) capable to change the processing parameters to see its results in real time. This algorithm was tested in phantom using a block of tissue mimicking material (10 x 10 x 12 cm3). A balloon of latex led with a blood mimicking uid was immersed in the middle of the phantom and a cylindrical inclusion of 1 cm of diameter was immersed above the balloon. The bulb of the balloon was keep outside of the phantom to be mechanically pressured by a dedicated magnetic actuator, simulating the mechanical pulsation of the brain arteries. The velocity and elastography images were studied using just the strain caused by the displacement of the wall of the balloon tube inside the phantom. The period of pulsation was precisely calculated from these images. After that, we did the same procedure in two in vivo cases: one with FCD type III-B; and the other with FCD type II-B. All our intraoperative images were acquired for the surgeons using a micro convex transducer linked to an Ultrasound platform (Sonix RP) and, then, processed o-line. In the B mode scanning we didnât see any formation inside the brain for the rst case, and for the second, we did. In the elastographic images we saw a clearly stiffer region in the rst case that was invisible in the B mode; and for the second case, we saw a bigger stiffer region than we saw in the B mode imaging too. And for both results, the arteria pulsation frequency, 61.5 BPM and 91 BPM, were veryclose to the measured value collected in the electrocardiogram during the surgery, 65 BPM and 94 BPM, respectively. Analyzing the histological results we could conrm that what we were showing in our elastographic images were FCD, indeed. Thereby we concluded that our algorithm had worked in these clinical data.

A magneto-acustografia ou, em uma nova terminologia mais abrangente, vibromagneto-acustografia (VMA) é uma técnica que combina técnicas magnéticas e acústicas, a fim de observar o comportamento visco-elástico de um meio material marcado com partículas magnéticas (alvo). A força magnética oscilatória de frequência () provoca, dentro do alvo, movimento das partículas e do meio material com frequência (2). O feixe acústico pulso-eco utilizado para detectar o movimento das estruturas, tem uma frequência de repetição de pulso (PRF), no mínimo, cinco vezes maior que a frequência do movimento do alvo. Assim, a proposta deste projeto foi desenvolver um protocolo de aquisição, processamento e análise da técnica VMA, por meio da implementação de uma plataforma automatizada de aquisição, que forneça dados estruturados para posteriormente através de uma plataforma de processamento analisar diferentes aplicações da técnica VMA em fantomas e in vivo. A primeira etapa foi desenvolver a plataforma de aquisição utilizando um equipamento de ultrassom diagnóstico por imagem. Nesta etapa foi desenvolvido um software, com interface gráfica de usuário, escrito em C++ e Qt com a função de automatizar a excitação magnética e a aquisição acústica de alta resolução temporal, foram definidos os protocolos padrão dos modos de excitação magnética e de aquisição acústica em termos da taxa de aquisição dos frames ultrassônicos para gerar movimentos oscilatórios ou ondas de cisalhamento. Em seguida, os dados provenientes das aquisições foram estruturados por meio de um cabeçalho para transferência para outros computadores através do protocolo TCP/IP. Depois foi desenvolvida um software, com interface gráfica de usuário, para a fase de processamento e análise. O processamento dos frames adquiridos em modo radiofrequência (RF) consistiu em obter mapas de deslocamentos ou velocidades das estruturas internas do meio material utilizado como alvo. Nesta etapa adaptamos o algoritmo de correlação cruzada normalizada com correção de pico de máxima correlação x e obtivemos mapas otimizados para a técnica VMA. A avaliação da otimização destes mapas foi baseada na avaliação entre a resolução espacial e tempo computacional. A partir do uso destes softwares em experimentos com fantomas e in vivo foram desenvolvidos métodos de análise da frequência dos deslocamentos e segmentação/caracterização de ondas de cisalhamento em termos da sua velocidade e atenuação. Por fim, foi implementado um sistema VMA automatizado composto, por uma plataforma de aquisição embarcada em equipamento de diagnóstico por ultrassom para aquisição de mapas de RF e, que posteriormente eram transferidos para um computador com hardware superior para geração de mapas de deslocamento do meio material. Os mapas foram analisados para determinação de parâmetros visco-elásticos. Além disso, através da implementação da técnica VMA, viabilizou-se estudos clínicos de maneira rápida e eficiente, por exemplo, análises gástricas após a digestão de alimentos marcados com partículas magnéticas e produção de ondas de cisalhamento para caracterização viscoelástica. / The magneto motive ultrasound (MMUs) is a novel technique, which combines magnetism and acoustics, in order to observe viscoelastic behavior of medium labeled with inserted magnetic particles. The magnetic force with modulation frequency () creates a mechanical disturbance in the object of study with twice the modulation frequency (2). Was applied a pulse-echo ultrasonic beamforming with pulse repetition frequency (PRF) at least five times greater than frequency of internal structure movement. The aim of this study was to develop an acquisition, processing and analysis protocol for MMUs through implementation of an automated platform for acquisition, which provides structured datasets for further processing and analysis of different applications (tissue mimicking phantoms or in vivo) of MMUs. First step was to develop the acquisition platform using an ultrasound research interface (URI). At this stage was developed a software with graphical user interface (GUI) written using C++ and Qt. This software automates magnetic excitation and acoustic acquisition, which has high frame rate. In addition, were defined default presets to provide oscillatory movement or shear waves. Then was created datasets acquired were structured and a header and transferred to an external personal computer through TCP/IP network. Second, the processing software with graphical user interface for processing and analyzing was developed. The frames acquired in radiofrequency (RF) mode were processed into displacement or velocity maps of medium internal structures. In this stage, we adapted a cross correlation algorithm to optimize for MMUs datasets. The evaluation of these maps was based on tradeoff between spatial resolution and computation time. Protocols for analysis of motion frequency and segmentation/characterization of shear waves, extracting velocity and attenuation for experiments performed with phantoms or in vivo were developed . In this work, it was implemented an automated MMUs system integrated with a software framework running on an ultrasound research interface (URI), which is used for acquisition of RF maps, further transferred for a PC with robust hardware to process into displacement maps. These maps were analyzed to obtain viscoelastic parameters of the medium. Moreover, this implementation of MMUs enables clinical fast and efficient trials for gastric evaluation of meals with magnetic particles and shear wave production for viscoelastic characterization.

Neste trabalho é apresentada uma nova modalidade de imagens elastográficas baseada na emissão acústica, quando um meio é submetido à radiação ultrassônica. Esta técnica está sendo denominada de Acustografia por Pulso/Emissão (APE). Características não-lineares da propagação acústica de ondas ultrassônicas, e a resposta mecânica vibracional, foram utilizadas como artifício para geração de imagens com frequências da ordem de quilohertz (kHz), a partir da excitação com ondas ultrassônicas na ordem de megahertz. Para produzir imagens com essa nova modalidade, simuladores de tecido biológicos foram construídos com diferenças de rigidez localizadas, e submetidos a uma radiação ultrassônica focalizada (MHz). O som emitido devido a interação da onda ultrassônica com a região de interesse era gravado e processado de modo a associar a cada pequena porção do tecido a um valor relacionado a rigidez para a formação da imagem. Os resultados mostraram que o método pode produzir imagens associadas às alterações viscoelásticas das amostras. A resolução espacial mostrou-se fortemente ligada a morfologia do campo acústico de excitação, sendo possível detectar estruturas da ordem de 0,25 mm isoladamente. A técnica de aquisição, desenvolvida e apresentada neste trabalho, é similar a técnica de vibroacustografia todavia, com uma instrumentação reduzida e com a possibilidade de obtenção de mais informações da estrutura do meio material, a partir dos fenômenos não lineares observados. Estudos pilotos de aplicação desta nova técnica e com a vibroacustografia, foram realizados e comparados para a avaliação de potenciais aplicações, por exemplo, na avaliação do sinal acústico diante de mudanças nas propriedades viscoelásticas do meio induzidas por mudança de temperatura; formação de imagens em meios com inclusões isoecogênicas e com rigidez ligeiramente diferentes; geração de imagens de estrutura óssea in vitro. / In this work is presented a new modality of elastography images based on the acoustic emission when a material medium was subjected to a ultrasound radiation.This tecnique Nonlinearity behavior of the acoustic wave propagation and the vibrational mechanical response were used to produce images from kilohertz frequencies when the sample was excited by ultrasound waves in megahertz. To produce images with this modality, tissue mimicking phantoms were made with stiffness in homogeneities and subjected a focused ultrasound radiation pulses. The sound emitted due the interaction of the ultrasound wave with the region of interest was recorded and processed in order to associate each small portion of the tissue to a value for image formation. The results showed that this method can produce images associated to the viscoelastic changes of the samples. The spatial resolution have showed strongly linked to the morphology of the excitation acoustic field, this way was possible to detect isolated structures in order of 0.25 mm. The acquisiton technique developed and presented in this work is similar to the vibroacoustography technique, however with reduced instrumentation setup and with the possibility to acquire further information about the structure of the material from the nonlinear phenomenal. Preliminary studies of this new technique and the vibroacoustography were made and compared to evaluate the potential applications, for example, in the evalution of the acoustic signal behavior due changes in the viscoelastic properties changes induced by temperature variations; image formation in the medium with lightly stiffness inclusions; generation of the images of bone structure in vitro.

Ultrassonografia (US) é usada por médicos para ajudar em diagnósticos e intervenções. Ela fornece uma visada tomográfica de órgãos internos como, por exemplo, pâncreas aorta, fígado, bexiga, rins e baço. O médico pode utilizar a US para realizar apenas uma avaliação visual ou pode também comprimir o tecido para analisar a dinâmica, uma vez que a elasticidade da lesão pode estar relacionada à patologias. Consequentemente, diversos procedimentos computacionais vem sendo desenvolvidos com o intuito de fornecer ao médico informações acerca das propriedades elásticas do tecido. Entretanto, uma avaliação completa e objetiva dos procedimentos computacionais sobre US pode ser dificultada pelo difícil acesso a imagens com as propriedades desejadas ou pela falta de padrão-ouro para ser utilizado como referência. Portanto, nós desenvolvemos uma ferramenta capaz de criar phantoms numérico que imitam a compressão induzida por um médico através de um transdutor. A deformação do tecido é baseada em método doe elementos finitos e o deslocamento dos espalhadores é calculado usando isomorfismo linear. Depois do deslocamento dos espalhadores, Field II foi utilizado para simular o ruído Speckle. Assim, foi possível a criação de uma sequência de imagens de US com deformação realística. Este método foi implementado em Matlab e está disponível para download sem custos. A deformação do phantom foi validada através da medição de contraste de compressão em phantoms de duas camadas. Uma atenção especial foi dada a doenças cardiovasculares devido ao impacto que essas patologias causam no cenário médico do Brasil e do mundo. Nas últimas décadas, a prevalência de patologias cardiovasculares têm crescido progressivamente e se tornou uma séria questão de saúde pública. Elas estão entre as maiores causas de mortes, internações e gastos com saúde. Na prática intervencionista, o ultrassom intravascular (IVUS) é utilizado para obter informações do vaso sanguíneo e de eventuais patologias. Portanto, foi desenvolvida também uma simulação numérica de phantoms de IVUS. A simulação do vaso sanguíneo também se baseou em método dos elementos finitos e isomorfismo linear. Contudo, uma simulação confiável de IVUS deve considerar o caminho do cateter no interior do vaso sanguíneo, porque isto determina a posição do transdutor. Portanto, nós desenvolvemos um novo método, baseado em equilíbrio de forças, para determinar a posição de menor energia do cateter. O método foi validado através da comparação da posição estimada com a posição de um fio-guia de aço real e apresentou erro quadrático médio e média Hausdorff menor que 1 mm para ambos. Foram utilizados dois métodos diferentes para rastrear e estimar a deformação de determinadas estruturas no tecido: Optical Flow e 2D Block Matching. Foi aplicado uma implementação inovadora de 2D Block Matching com interpolação sub-pixel linear e propagação de deslocamento. Posteriormente, a validação será feita comparando-se a o movimento estimado com o padrão-ouro numérico utilizado para construir a simulação. O 2D block matching forneceu resultados melhores que o optical flow. Após a análise em phantoms numéricos, equipamento real de ultrassom foi utilizado para aquisição de imagens modo-B de phantoms físicos. Então, nós realizamos a estimativa do movimento das estruturas para analisar as propriedades morfológicas e dinâmicas do tecidos. Os resultados obtidos foram comparados com a elastografia fornecida pelo equipamento. Em acordo com os resultados obtidos na simulação numérica, o 2D block matching novamente apresentou resultados melhores que o optical flow. Finalmente, os dois métodos de rastreamento foi aplicada em imagens simuladas de IVUS, que foram divididas em 2 conjuntos de quadros. O primeiro conjunto, S1, continha todos os quadros da sequência de IVUS e o segundo conjunto, S2, continha apenas os quadros correspondentes a uma fase específica do ciclo cardíaco. Sendo assim, foi analisado o balanço entre o impacto do movimento cardíaco e a taxa de quadros. Para os pontos localizados nas bordas dos objetos, Optical flow teve um bom desempenho para ambos S1 e S2. Em regiões homogêneas, entretanto, o optical flow foi capaz de rastrear os pontos em S2, sugerindo que é melhor o trabalho com movimento cardíaco reduzido em detrimento da taxa de quadros, tal qual a aquisição de IVUS engatilhado por ECG. Já o 2D block matching apresentou um mau rastreamento para todos os pontos selecionados. Além da simulação da aquisição de ultrassonografia com deformação e do rastreamento de estruturas, também desenvolvemos uma nova técnica de filtragem capaz de remover a textura speckle sem borrar as bordas. A técnica proposta apresentou os melhores resultados quando comparados com outros nove filtros da literatura. Foi desenvolvida também uma nova métrica que utiliza o ruído speckle da própria imagem para fornecer um parâmetro que pode ajudar o usuário a decidir o tamanho da janelo de um filtro. / Ultrasonography (US) is used by physicians to help on diagnosis and interventions. It provides tomographic views of inner organs such as pancreas, aorta, inferior vena cava, liver, gall bladder, bile ducts, kidneys and spleen. The physician may utilize US to perform only a visual assessment or may also compress the tissue to analyze its dynamics, since lesion elasticity may be related to dangerousness. Consequently, several computational procedures have been developed in order to provide information about the elastic properties of the tissue. However, a thorough and objective evaluation of US computational procedures may be hindered by the difficult access to US images with the desired features and the lack of gold-standard parameters. Therefore, we developed a tool that is able to create numeric phantom that mimics the compression induced by physician with the transducer. The tissue deformation was based on finite elements method and the displacement of the scatterers were calculated using linear isomorphism. After the scatterer displacement, Field II was used to simulate the speckle noise. Thus, it is possible to create a sequence of US images with realistic deformation. This technique was implemented in Matlab and is available for free download. The phantom deformation was validated by measuring the strain contrast from double-layered phantoms. Special attention was given to cardiovascular diseases due to their impact on Brazilian and world populations. During the last decades, the prevalence of cardiovascular pathologies has increased progressively, and has become a serious public health problem. They are among the major causes of death, hospitalizations and health expenses. In interventionist practice, intravascular ultrasound (IVUS) is used to obtain information about blood vessels and eventual pathologies. Therefore, we also created numeric IVUS phantoms. The simulation of the blood vessel was also based in finite elements method with linear isomorphism. However, a reliable IVUS simulation must consider the catheter path inside the blood vessel, because it determines the position of the transducer. Hence, we developed a new method, based on equilibrium of forces, to determine the minimum energy position of the catheter. The method was validated by comparing its position with the position of a real stainless steel IVUS guidewire and presented root mean squared error and Hausdorff mean smaller than 1 mm for both. We used two different techniques to track and estimate deformation of different structures in the simulated US images, namely, Optical Flow and 2D Block Matching. We applied an innovative implementation of 2D block matching with sub-pixel linear interpolation and displacement propagation. Then, the estimated deformation from both methods were compared with the numeric gold-standard, and 2D block matching presented better results than optical flow. After the work with numeric phantoms, real US equipment was utilized to acquire B-mode images from a physical phantom. Then, we performed the movement estimation of the imaged tissue to analyze its morphological and dynamic properties. The results were compared to the elastography images provided by the US equipment. In accordance with the results from the numeric simulation, 2D block matching presented better results than Optical flow. Finally, we performed the two speckle tracking on a set of numerically simulated IVUS images, where the images were divided into two sets of frames. The first set, S1, contained all the frames from the IVUS sequence and the second set, S2, contained only the frames corresponding to a specific phase of the cardiac cycle. Thus, we analyzed the trade-off between the impact of the cardiac motion and low frame rate. For the points located at the edges of the object, optical flow had a good performance for both S1 and S2. In homogenous regions, however, optical flow was able to track the points only in S2, suggesting that it is better to work with low frame rate and reduced cardiac motion, as in EKG-triggered IVUS acquisition. 2D block matching presented poor results in all points of both S1 and S2. Besides the simulation of ultrasound acquisition with deformation and structure tracking, in this work, we also developed a new filtering technique that is able to remove the speckle texture without blurring the edges. The proposed filter presented the best results when compared to other nine filters from the literature. We also developed a metric that uses the speckle texture of the image to provide a parameter that may help the user decide the size of the window of the filter.