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.

Los nódulos tiroideos son un problema de alta preocupación e importancia para el diagnóstico médico debido a que su proliferación puede causar cáncer. Según la Sociedad Americana de Cáncer, el número de nuevos casos de cáncer de tiroides en el 2014 es 62 980, lo cual comparado con los 44 670 nuevos casos en el 2012 se infiere que se debe generar mayor conciencia sobre este problema [7]. El ultrasonido está siendo utilizado para la caracterización de nódulos tiroideos en dos grupos: benignos/normal o malignos, sin embargo ninguna técnica basada en ultrasonido posee la suficiente especificidad y sensibilidad para realizar una fiable distinción [8 - 10]. Como resultado, la aspiración con aguja fina permanece todavía como el estándar de oro para la evaluación de cáncer de tiroides [14]. Por eso, es necesario desarrollar herramientas no invasivas que ayuden en la tarea de la identificación de los tejidos malignos en la glándula. Varios investigadores usaron el ultrasonido cuantitativo basado en coeficientes de retrodispersión (BSC) por su potencial en caracterizar varios tejidos y su independencia en el sistema y operador. En particular, se han desarrollado estudios en tiroides roedores ex vivo y tiroides humanos en vivo y ex vivo [15 - 18], pero poseen ciertas limitaciones: 1) falta de aclaración de la relación de los estimados de BSC de roedores con el cáncer de tiroides humano [15, 16] y 2) no se estimó correctamente parámetros basados en BSCs por la carencia de compensación por atenuación [20]. La presente investigación desarrolla el método de maniquí de referencia (MMR) para la estimación de BSCs en tiroides sanas en vivo. Para este fin, se realizó y validó primero las estimaciones de BSC en maniquíes físicos calibrados y en datos de hígados humanos para luego estimar los BSCs de 5 tiroides sanas. De estas estimaciones, se obtuvieron el valor medio (mBSC) de las curvas de BSC y el coeficiente de variación (CV) que es la desviación estándar dividido por la media. En conclusión, se logró errores de exactitud menores a 2 dB en la medición de BSC de maniquíes y se validó los datos de hígados humanos comparándolos con los datos reportados en la literatura especializada. Además, se determinó las estadísticas de BSCs estimados de 5 pacientes (media y desviación estándar: 0.027±0.005 1/(sr.cm) y coeficiente de variación a través de todos los pacientes: menor al 6%). Los resultados preliminares sugieren que los BSCs tienen potencial para la caracterización de tiroides humanas.

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.

<p>This document provides a description about how the problem of the detection of thecenter of a defined geometry object was solved.This named object has been placed in an experimental environment surrounded bywater to be explored using microwaves under the water, to try to find a possibletumor. The receiver antenna is fixed in the tip of the tool of an ABB robot.Due to this working method, it was necessary to locate the center of this object tomake correctly the microwave scanning turning always around the actual center. Thiswork not only consist in give a hypothetic solution to the people who gave us theresponsibility of solve their problem, it is also to actually develop a system whichcarries out the function explained before.For the task of measuring the distance between the tip of the tool where themicrowave antenna is, ultrasonic sensors has been used, as a complement of acomplete system of communication between the sensor and finally the robot handler,using Matlab as the main controller of the whole system.One of these sensors will work out of water, measuring the zone of the object which isout of the water. In the other hand, as the researching side of the thesis, a completeultrasonic sensor will be developed to work under water, and the results obtained willbe shown as the conclusion of our investigation.The document provides a description about how the hardware and software necessaryto implement the system mentioned and some equipment more which were essentialto the final implementation was developed step by step.</p>

This document provides a description about how the problem of the detection of thecenter of a defined geometry object was solved.This named object has been placed in an experimental environment surrounded bywater to be explored using microwaves under the water, to try to find a possibletumor. The receiver antenna is fixed in the tip of the tool of an ABB robot.Due to this working method, it was necessary to locate the center of this object tomake correctly the microwave scanning turning always around the actual center. Thiswork not only consist in give a hypothetic solution to the people who gave us theresponsibility of solve their problem, it is also to actually develop a system whichcarries out the function explained before.For the task of measuring the distance between the tip of the tool where themicrowave antenna is, ultrasonic sensors has been used, as a complement of acomplete system of communication between the sensor and finally the robot handler,using Matlab as the main controller of the whole system.One of these sensors will work out of water, measuring the zone of the object which isout of the water. In the other hand, as the researching side of the thesis, a completeultrasonic sensor will be developed to work under water, and the results obtained willbe shown as the conclusion of our investigation.The document provides a description about how the hardware and software necessaryto implement the system mentioned and some equipment more which were essentialto the final implementation was developed step by step.

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.

En nuestro país, el desarrollo de equipos ultrasónicos capaces de medir la velocidad de flujo es muy limitado. Los motivos incluyen falta de fundamentos teóricos, alto costo de los equipos, complejidad en la construcción de los instrumentos requeridos, y falta de inversión, entre otros. Esto constituye una desventaja ya que estos equipos son herramientas importantes para diversas aplicaciones en el diagnóstico médico, y sólo se pueden acceder a éstos adquiriendo equipos comerciales extranjeros.

La Leishmaniasis Cutánea es una enfermedad que puede producir complicaciones e infecciones a los que la padecen. Generalmente, los focos infecciosos están ubicados en lugares muy alejados, en donde no se encuentra personal especializado ni hospitales que posean los medicamentos indicados para el tratamiento. A causa de esto la Leishmaniasis es una enfermedad sobre la cual no se hacen suficientes investigaciones que puedan controlarla y erradicarla. La evolución y el seguimiento de la enfermedad dependen de la experiencia y del criterio del doctor tratante, ya que no se dispone de un estándar que se puedan utilizar y que les indique si la enfermedad responde positivamente o negativa a un determinado tratamiento. Este trabajo de desarrollo tiene como finalidad proporcionar una herramienta para poder comprobar la hipótesis de que el volumen de la fosa de una herida de Leishmaniasis puede ser utilizado como un biomarcador para evaluar la evolución de la enfermedad. Se desarrolló un sistema de medición de volumen ultrasónico, basado en un ecógrafo portátil y un montaje mecánico con desplazamiento lineal, el cual se utiliza para definir una separación constante de las imágenes proporcionadas por el ecógrafo. Las imágenes se almacenan en la computadora a la frecuencia de un cuadro por segundo y posteriormente son procesadas mediante el empleo de técnicas de segmentación manual y reconstrucción basada en vóxeles. Se caracterizó el equipo hallando las resoluciones del ecógrafo (Resolución axial de 0.38mm, lateral de 0.74mm y elevacional de 6mm) y la separación entre las imágenes obtenidas (0.7105mm). Luego, se analizaron objetos con volúmenes conocidos, con los cuales se hallaron los errores de estimación de volumen y la longitud mínima de un objeto para obtener una aceptable estimación de volumen. Además, se halló la precisión de la reconstrucción volumétrica que fue de 0.191ml. Debido a que la mayoría de heridas de Leishmaniasis generalmente son de menor longitud que el mínimo límite definido (30mm), que tienen volúmenes menores a la precisión del sistema y que las imágenes obtenidas poseen muchos artefactos que hacen muy difícil el discernimiento de sus límites, se concluyó que no es factible la medición de volúmenes de heridas de Leishmaniasis con el uso de un ecógrafo portátil. Sin embargo, si se utilizara otro tipo de ecógrafo con mejor resolución elevacional, sí sería posible estimar correctamente un volumen.

The skin is the largest organ of the body that protects it from the external environment. High- frequency ultra sound (HF-US) has been used to visualize the skin in depth and to diagnose some pathologies in dermatological applications. Quantitative ultrasound (QUS) includes several techniques that provide values of particular physical properties. In this thesis work, three QUS parameters are explained and used to characterize healthy skin through HF-US: attenuation coefficient slope (ACS), backscatter coefficient (BSC) and shear wave speed (SWS). They were estimated with the regularized spectral-log difference (RSLD) method, the reference phan- tom method, and the crawling wave sonoelastography method, respectively. All the three parameters were assessed in phantoms, ex vivo and in vivo skin. In calibrated phantoms, RSLD showed a reduc- tion of up to 93% of the standard deviation concerning the estimation with SLD, and BSC showed an agreement with the Faran’s theoretical curve. In gelatin-based phantoms, surface acoustic waves (SAWs) were estimated in two interfaces: solid-water and solid-US gel, which all owed corroborating SAWs presence and finding an empirical compensation factor when the coupling interface is US gel. A correction factor of 0:97 for SAW-to-shear was found to avoid underestimation in phantoms. Porcine thigh was calculated in the range from 8 to 27 MHz, where the ACS was 4:08 _+_0:43 dB cm -1 MHz-1 and BSC was in the range from 10 1 to 10° sr-1 _cm-1. Crawling wave sonoelastography method was applied for the vibration frequencies between 200 Hz and 800 Hz, where SWS was in the range from 4:6 m/sto9:1 m/s. In vivo ACS and BSC were assessed in the healthy forearm and thigh, whereas SWS only in the thigh. The average ACS in the forearm dermis was 2.07dB cm-1 _MHz-1, which is in close agreement with the literature. A significant difference (p < 0.05) was found between the ACS in the forearm dermis and the thigh dermis (average ACS of 2.54dB cm-1 _MHz-1). The BSC of the forearm and thigh dermis were in the range from 10 -1 to 10° sr-1 _cm-1, and in the range from 10-1 to 10° sr-1 _cm-1, respectively. The SWS in the thigh dermis was 2:4 _+_0:38 m/s for a vibration frequency of 200Hz, with an increasing trend as frequency increases. Results suggest that these QUS parameters have the potential to be used as a tool for in vivo skin characterization and show potential for future application in skin lesions. / Tesis

Quantitative Sono-Elastographie ist eine neue Technologie für die Ultraschall Bildgebung, die Radiologen maligne Tumoren ohne Risiko der strahlungsinduzierten Krebs (d.h. Mammographie) zu erfassen können. Aufgrund gefunden Rechenkomplexität in der aktuellen Algorithmen, Implementierung von Echtzeit-Anwendungen, die Prüfungsverfahren profitieren wurde jedoch noch nicht berichtet. Zusätzlich, aktuelle Schätzer für die Darstellung eine Elastizität Bilder vorhanden Artefakte der hohen Schätzung Varianz, die die Techniker in die Gegenwart steifer Massen irreführen könnten und zwar, falsch-positive Diagnose zu erzeugen. In dieser Arbeit wird eine GPU-basierte Elastographie-System entwickelt und an einem Forschungsultraschallgeräten implementiert. Quantitative Elastizität in Echtzeit bei 2 FPS mit einer Verbesserung Rechenzeitfaktor aus 26 wird gezeigt. Validierung der Systemgenauigkeit Anzeige wurde, auf Gelatinebasis Gewebe Phantome durchgeführt., waren niedrige Vorspannung der Elastizitätswerte berichtet wurde (4,7 %) bei geringe Anregungsfrequenzen nachahmt. Ausserdem wird eine neue Elastizität Schätzer auf quantitative Sono-Elastographie basiert eingeführt. Ein lineares Problem wurde entlang der seitlichen Abmessung modelliert und eine Regularisierung Methode wurde implementieren. Elastizität Bilder mit niedriger Vorspannung wurde darstellen (1,48 %) sowie seine Leistung in einer Brust kalibrierte Phantom mit verbesserter CNR (47,3 dB) im Vergleich mit anderen Schätzer ausgewertet sowie die Verringerung Seiten Artefakte bereits erwähnt in der Literatur (PD: 22,7 dB, 1DH 28,7 dB) gefunden. Diese zwei Beitrag profitieren, die Umsetzung und Entwicklung weiterer Elastographie Techniken, die eine verbesserte Qualität der Elastizität Bilder liefern könnten und somit eine verbesserte Genauigkeit der Diagnose. / Quantitative sonoelastography is an alternative technology for ultrasound imaging that helps radiologist to diagnose malignant tumors with no risk of radiation-induced cancer (i.e. mammography). However, due to the high computational complexity found in the current algorithms, implementation of real-time systems that could benefit examination procedures has not been yet reported. Additionally, elasticity maps depicted from current estimators feature artifacts of high estimation variance that could mislead the technician into the presence of stiffer masses, generating false positive diagnosis. In this thesis, a GPU-based elastography system was designed and implemented on a research ultrasound equipment, displaying quantitative elasticity in real-time at 2 FPS with an improvement computational time factor of 26. Validation of the system accuracy was conducted on gelatin-based tissue mimicking phantoms, where low bias of elasticity values were reported (4.7%) at low excitation frequencies. Additionally, a new elasticity estimator based on quantitative sonoelastography was developed. A linear problem was modeled from the acquired sonolastography data along the lateral dimension and a regularization method was implemented. The resulting elasticity images presented low bias (1.48%), enhanced CNR and reduced lateral artifacts when evaluating the algorithm’s performance in a breast calibrated phantom and comparing it with other estimators found in the literature. These two contribution benefit the implementation and development of further elastography techniques that could provide enhanced quality of elasticity images and thus, improved accuracy of diagnosis. / Tesis