The minimum variance (MV) beamformer is an adaptive beamforming method that has the potential to enhance the resolution and contrast of ultrasound images. Although the sensitivity of the MV beamformer to steering vector errors and array calibration errors is well-documented in other fields, in ultrasound it has been tested only under gross sound speed errors. Several robust MV beamformers have been proposed, but have mainly reported robustness only in the presence of sound speed mismatches. Additionally the impact of PAC methods in mitigating the effects of phase aberration in MV beamformed images has not been observed Accordingly, this thesis report consists on two parts. On the first part, a more complete analysis of the effects of different types of aberrators on conventional MV beamforming and on a robust MV beamformer from the literature (Eigenspace-based Minimum Variance (ESMV) beamformer) is carried out, and the effects of three PAC algorithms and their impact on the performance of the MV beamformer are analyzed (MV-PC). The comparison is carried out on Field II simulations and phantom experiments with electronic aberration and tissue aberrators. We conclude that the sensitivity to speed of sound errors and aberration limit the use of the MV beamformer in clinical applications, and that the effect of aberration is stronger than previously reported in the literature. Additionally it is shown that under moderate and strong aberrating conditions, MV-PC is a preferable option to ESMV. On the second part, we propose a new, locally-adaptive, phase aberration correction method (LAPAC) able to improve both DAS and MV beamformers that integrates aberration correction for each point in the image domain into the formulation of the MV beamformer. The new method is tested using fullwave simulations of models of human abdominal wall, experiments with tissue aberrators, and in vivo carotid images. The LAPAC method is compared with conventional phase aberration correction with delay-and-sum beamforming (DAS-PC) and MV-PC. The proposed method showed between 1-4 dB higher contrast than DAS-PC and MV-PC in all cases, and LAPAC-MV showed better performance than LAPAC-DAS. We conclude that LAPAC may be a viable option to enhance ultrasound image quality of both DAS and MV in the presence of clinically-relevant aberrating conditions. / Tesis

El siguiente trabajo describe el diseño de un dispositivo de ayuda para personas en condición de discapacidad visual, específicamente en lo relativo al desplazamiento, para así brindarles mayor seguridad. Se logró diseñar un dispositivo sencillo que permite la detección de obstáculos, el cual puede ser aplicado a apoyar a personas en condición de discapacidad visual a movilizarse de una manera más segura, llegando a detectar objetos hasta a una distancia de 2.50 metros e identificar una posición aproximada del objeto detectado. En el primer capítulo se estudiará la realidad de una persona en condición de discapacidad visual tanto nacional como mundialmente, se mostrarán los medios con que la persona en condición de discapacidad visual cuenta comúnmente; lo cual nos dará la justificación para el desarrollo de este trabajo, así como plantear los objetivos a lograr. A continuación, se abordarán aquellas tecnologías desarrolladas, tanto en laboratorio como comerciales, que son dirigidas a las personas en condición de discapacidad visual, específicamente aquellas tecnologías relativas al desplazamiento de la persona. Asimismo se estudiarán aquellos temas que nos serán útiles en el desarrollo del diseño, el cual será explicado más ampliamente en el modelo teórico. Luego, se plantearán los requerimientos del equipo que deberán cumplirse para lograr alcanzar los objetivos anteriormente planteados. Se presentarán los equipos seleccionados, así como el principio de funcionamiento del diseño propuesto. Finalmente, se mostraran los resultados a las pruebas realizas para estudiar los límites de los equipos seleccionados, así como pruebas del funcionamiento correcto del equipo diseñado y las conclusiones a las que se ha llegado. / Tesis

Memoria para optar al título de Ingeniero en Alimentos / Los alimentos ricos en almidón poseen grandes cantidades de azúcares reductores y asparagina, que a altas temperaturas actúan como precursores de la formación de sustancias potencialmente cancerígenas, como la acrilamida y el 5-hidroximetilfurfural. Por esto, se utilizan pretratamientos para disminuir la cantidad de precursores presentes en los alimentos, disminuyendo la formación de neocontaminantes al procesar a altas temperaturas. El objetivo de este estudio fue determinar el efecto de la aplicación de ultrasonido en el escaldado sobre la lixiviación de azúcares reductores, principalmente glucosa y fructosa, presentes en rodajas de papas crudas, con el fin de disminuir la cantidad de acrilamida y 5-hidroximetilfurfural que se forman en el proceso de fritura, manteniendo una calidad sensorial aceptable. Se aplicó un diseño experimental factorial utilizando como factores el ultrasonido (600W de calentamiento, 480W de ultrasonido, frecuencia de 40 kHz, sin pulsos ajustables; con un escaldado tradicional y escaldado con ultrasonido), tiempo de escaldado (1 – 15 minutos, con 3 niveles) y temperatura de escaldado (60 - 80 °C, con 3 niveles) sobre las siguientes respuestas en el producto después de la fritura: contenido de acrilamida, contenido de 5-hidroximetilfurfural, contenido de aceite, calidad sensorial y perfil descriptivo. Paralelamente, se determinaron las cinéticas de lixiviación de glucosa y fructosa a 60, 70 y 80 °C usando un escaldado tradicional y con ultrasonido. La aplicación de ultrasonido presenta una mayor lixiviación durante los primeros minutos de escaldado, llegando al mismo equilibrio que el escaldado tradicional. Durante el mismo periodo, con ultrasonido se reduce mayor cantidad de acrilamida y 5-hidroximetilfurfural. Además, éste tiene un efecto positivo sobre la calidad sensorial del producto final, teniendo las mejores evaluaciones bajo tratamientos con ultrasonido. Como la calidad sensorial es un factor importante a considerar al aplicar una tecnología de proceso en los alimentos, las mejores condiciones de escaldado son temperaturas cercanas a 70 – 80 °C por tiempos no superiores a 8 – 10 minutos, con aplicación de ultrasonido / Starchy foods have large amounts of reducing sugars and amino acids such as asparagine, which at high temperatures act as precursors for the formation of potential carcinogens such as acrylamide and 5-hydroxymethylfurfural. For this reason, the use of pretreatments is very interesting to decrease the quantity of precursors present in food, with the purpose of decreasing the neo-formed contaminants during the process at high temperatures. The aim of this study was to determine the effect of the application of ultrasound in blanching on lixiviation of the reducing sugars in raw potato slices, in order to reduce the acrylamide and 5-Hydroxymethylfurfural generated in the frying process, maintaining an acceptable sensory quality. A factorial experimental design was applied, using as factors ultrasound (600W heating power, 480W ultrasound power, frequency 40kHz, without adjustable pulses; traditional blanching and ultrasound blanching, at 2 levels), blanching time (1 - 15 minutes, at 3 levels) and blanching temperature (60 - 80 °C, at 3 levels) on the following response variables in the product after frying: acrylamide content, 5-hydroxymethylfurfural content, oil content, quality and descriptive sensory profile. Also, the leaching kinetics of glucose and fructose at 60, 70 and 80 °C were determined using both traditional blanching and ultrasound blanching. The application of ultrasound shows higher leaching level during the first minutes of blanching, reaching the same final balance as traditional blanching. At the same time, the use of ultrasound in blanching shows higher reduction in acrylamide and 5-hydroxymethylfurfural. It also proved to have a positive effect on the sensory quality of the final product, obtaining the best scores on treatments with ultrasound. As the sensory quality is an important factor to consider when applying a processing technology on food, the best bleaching conditions are temperatures near 70 - 80 ° C for no-longer than 8 - 10 minutes, using ultrasound / FONDECYT N° 1150146

La elastografía abarca un grupo de técnicas no invasivas para la caracterización de tejidos como complemento al diagnóstico médico de diversas patologías. Una de estas técnicas es la elastografía por campo reverberante (R-SWE, por sus siglas en inglés), la cual consiste en generar un campo reverberante en el tejido de interés mediante múltiples fuentes de vibración asumiendo una distribución isotrópica de ondas planas para facilitar el cálculo de la velocidad de onda de corte (SWS, por sus siglas en inglés). Su factibilidad ha sido validada para la caracterización de mamas, hígado, riñones, músculo y pie; sin embargo, el cálculo de la SWS ha sido comprobado mientras se verifique la uniformidad del campo. El modelo actual que valida la estimación de la SWS se basa en la umbralización del coeficiente de determinación R2, el cual es producto del ajuste de curva a la autocorrelación de la velocidad de partículas, no obstante, este no analiza propiamente el concepto de uniformidad. En el presente trabajo, se presenta el estudio del fenómeno de uniformidad en un campo reverberante, mediante la extracción y análisis de estimadores estadísticos usados en campos reverberantes de ondas electromagnéticas con sus equivalencias en ondas mecánicas. Se propone un modelo identificación de campos reverberantes uniformes para la asistencia de la R-SWE, basado en clasificadores automáticos basados en regresión logística, análisis discriminante lineal y máquinas de vector soporte (con kernel lineal y gaussiano) con exactitudes de 0.713, 0.729, 0.732 y 0.817, respectivamente.

La elastografía es una modalidad de imagen médica que muestra las propiedades elásticas de los tejidos. La motivación principal para el desarrollo de ésta técnica es que distintas patologías, como el cáncer de mama, hígado o de próstata, muestran mayor rigidez que el tejido sano circundante. Desde fines de la década de 1980, diversos grupos de investigación han propuesto metodologías para medir la elasticidad del material de interés utilizando técnicas de ultrasonido. De esta manera, para la validación y verificación de los métodos propuestos se han utilizado maniquíes que simulen propiedades biomecánicas similares a las del tejido humano como la velocidad de onda de corte y el módulo de Young. La validación de métodos elastrográficos se beneficia del uso de maniquíes correctamente calibrados. En este trabajo, se construyeron maniquíes de bajo costo en base a gelatina y otros ingredientes comerciales. El módulo elástico se estimó para frecuencias entre 80 y 340 Hz, temperaturas entre 12 y 20 grados Celsius y para dos concentraciones de gelatina de 22% y 30%. Se encontró que el promedio del modulo elástico de un solo maniquí esta en el rango de 50 a 140 Pa dependiendo de la concentración de gelatina, la frecuencia de vibración y la temperatura. Se encontró que a mayor temperatura los valores de elasticidad encontrados eran menores y que a mayores concentraciones los valores de elasticidad eran mayores. Estos resultados son consistentes con valores que se encontraron en la literatura para maniquíes realizados de manera similar.

Ultrasound imaging in rural areas often faces challenges due to the scarcity of skilled radiologists or sonographers. This research explores enhancing ultrasound imaging focused in resource-scarce settings via external anatomical landmarks for asynchronous ultrasound acquisition using artificial intelligence (AI) and computer vision algorithms based on the nature of the acquisition. First, it addresses lung ultrasound health status by generating one single image by sweeping the transducer in a sagittal position along the chest. The validation was performed using normal and abnormal cases. Second, a multi-camera system for ultrasound probe tracking with AI is proposed. The results were evaluated by quantitative measurements of speeds, angles, and simulation of lung VSI protocol. Third, a 3D segmentation of breast tumors using ultrasound videos acquired by asynchronous protocols was realized. A representative frame of the videos is extracted to analyze the nature and determine if is a benign or malignant case. Fourth, a set of obstetric data acquired by asynchronous protocols for the assessment of fetal head presentation and placenta position was realized. Fetal biometry such as head circumference and biparietal diameter were calculated and compared with physician measurements. Finally, an elastography approach was tested for plantar soft tissue assessment by a test-retest experiment for biomechanical characterization. An automatic calcaneus segmentation was employed in the B-mode as an aid in the visualization and for an immediate region of interest selection. The results were compared with the manual selection of the region of interest and the respective calcaneus segmentation. The findings of this work demonstrate a substantial advancement in the field of ultrasound imaging, especially tailored for resource-limited settings. / Las imágenes ecográficas en zonas rurales enfrentan desafíos debido a la escasez de radiólogos o sonografistas. Esta investigación explora la mejora de las imágenes por ultrasonido enfocadas en indicadores anatómicos externos para realizar adquisiciones asíncronas haciendo uso de inteligencia artificial (IA) y de algoritmos de visión por computadora basados en la naturaleza de la adquisición. En el primer capítulo, se aborda el estado del pulmón haciendo uso de ultrasonido pulmonar generando una sola imagen haciendo un barrido del transdutor en posición sagital con respecto al pecho. La validación fue realizada usando casos normales y anormales. En el segundo capítulo, se propone un sistema de adquisición con múltiples cámaras para hacer un seguimiento del transductor. Los resultados fueron comparados cuantitativamente realizando mediciones de velocidad, ángulos y de simulación del protocolo protocolo VSI pulmonar. En el tercer capítulo, se implementó una segmentación 3D para tumores de mama usando videos de ultrasonido adquiridos de manera asíncrona. Se extrajeron imágenes representativas de cada video para determinar si es benigno o maligno. En el cuarto capítulo, se trabajó con un conjunto de datos obstétricos adquiridos por protocolos asíncronos para la evaluación de la cabeza fetal y posición fetal. La biometría fetal como la circunferencia de la cabeza y diámetro biparietal fueron calculados y comparatods con mediciones de radiólogos. Finalmente, se evaluó un método de elastografía para la evaluación del tejido plantar realizando un experimento repetitivo para su caraterización biomecánica. Posteriormente, se propuso la segmentación automatizada del calcáneo utilizando las imágenes en modo B como apoyo en la visualización y para una inmediata selección de región de interés. Los resultados fueron comparados con la selección manual de la región de interes y su respectiva segmentación del calcáneo. Los hallazgos de este trabajo demostraron los avances sustanciales en el campo de imágenes de ultrasonido, especialmente diseñada para entornos con recursos limitados

El presente trabajo tiene por objetivo el diseño y desarrollo de un excitador básico de ultrasonido. Para dicho fin, se debe generar una señal eléctrica adecuada para aplicarla a un transductor. Esta señal eléctrica consiste básicamente en trenes de pulsos de alto voltaje que son enviados cada cierto periodo. Los parámetros de esta onda, tales como duración del pulso, número de pulsos por tren y frecuencia de repetición del tren de pulsos, deben ser configurados por el usuario. Con este trabajo se busca promover la investigación sobre excitadores de ultrasonido de mayor precisión y resolución, lo que implicará una contribución en el desarrollo de equipos de ultrasonido para diversas aplicaciones, cada vez más necesarias e importantes en la medicina e industria. Para alcanzar este objetivo, se ha hecho uso de un sintetizador digital de frecuencias, conocido como DDS, para poder generar pulsos de voltaje de hasta 200 nanosegundos. Para controlar la frecuencia de repetición se utilizó un microcontrolador Atmel de 8 bits y para el control del número de pulsos por tren, un sistema compuesto por compuertas lógicas de alta velocidad de la familia 74HCT. Finalmente, para amplificar la señal lógica generada, se usó un arreglo de Power MOSFETs.

El presente trabajo tiene como objetivo diseñar y desarrollar un sistema de adquisición de datos ultrasónicos en un FPGA, capaz de excitar transductores ultrasónicos en el rango de las aplicaciones médicas convencionales de ultrasonido, y de digitalizar, almacenar y transmitir los ecos ultrasónicos recibidos a una computadora personal. En el Capítulo 1 se presenta la problemática actual en nuestro país con respecto al desarrollo de sistemas de adquisición de datos ultrasónicos y las ventajas que tendría desarrollar este tipo de tecnología. Adicionalmente, se presenta los objetivos del presente proyecto de tesis, los requerimientos y características principales del sistema propuesto y las maneras que existen de implementar un sistema de adquisición de datos. En el Capítulo 2 se describen cada una de las partes que componen un sistema de adquisición de datos ultrasónicos, por ejemplo: circuito de excitación, acondicionamiento de señal, adquisición de datos, transmisión de datos e interfaz con el usuario. Adicionalmente se analizan las características físicas y eléctricas de cada parte del sistema. En el Capítulo 3 se presenta el diseño electrónico de la etapa de excitación de transductores ultrasónicos, adquisición, almacenamiento, pre-procesamiento y transmisión de datos a la computadora. En cada etapa se muestra los criterios de diseño utilizados, las simulaciones obtenidas con el diseño propuesto y se realiza una comparación cualitativa con el trabajo precedente a este proyecto. En el Capítulo 4 se muestran los resultados obtenidos con el sistema de adquisición de datos desarrollado. Se presenta una comparación cualitativa entre los resultados obtenidos con el equipo comercial MS-5800 de la empresa OLYMPUS y el sistema de excitación desarrollado. También se presenta una comparación entre las señales adquiridas con un osciloscopio digital de la marca TEKTRONIX y el sistema de adquisición de datos desarrollado.

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

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.