Towards clinical optical elastography: high-speed 3D imaging using volumetric phase detection

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Malheiro, Francisco Gomes
Data de Publicação: 2014
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/11737
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014
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spelling Towards clinical optical elastography: high-speed 3D imaging using volumetric phase detectionElastografiaTomografia de coerência óticaElastografia de coerência óticaDeformaçãoTeses de mestrado - 2014Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014Dada a existência de diferenças nas propriedades elásticas de um tecido num estado saudável e patológico, a medição destas propriedades pode ser importante no diagnóstico de algumas doenças. A elastografia é uma técnica de imagiologia que dá informação objetiva sobre as propriedades elásticas de um tecido. Nesta técnica, o tecido é comprimido, o deslocamento do tecido é medido usando uma técnica de imagiologia (ex: ressonância magnética, CT ou ultrassons), e as medições de deslocamento são usadas para estimar uma propriedade elástica, como o Módulo de Young ou a Deformação, e formar então uma imagem médica – elastograma. As primeiras técnicas de elastografia usavam ultrassons e ressonância magnética nas medições de deslocamento. Mais recentemente, a tomografia de coerência ótica foi também aplicada à elastografia, numa técnica chamada elastografia de coerência ótica, trazendo melhor resolução espacial e sensibilidade, apesar de ser incapaz de obter imagens tão profundas no tecido. A elastografia de coerência ótica apresenta uma resolução na ordem dos 2-10 micrómetros, pelo menos uma ordem de grandeza inferior à elastografia usando as técnicas referidas anteriormente. A avaliação das margens de tumores em cirurgias de remoção de cancro da mama ou o diagnóstico de doenças musculares como a Distrofia Muscular de Duchenne são exemplos de aplicações de elastografia que requerem uma resolução microscópica ao nível que só a variante da coerência ótica consegue oferecer. Em tomografia de coerência ótica de domínio espectral, o sinal medido pode ser dividido em amplitude e fase. A amplitude do sinal é usada para formar as imagens normais de tomografia de coerência ótica enquanto a fase é aleatória. Contudo, quando adquiridas duas imagens de uma amostra que se desloca (entre a aquisição da primeira e da segunda imagem) paralelamente à direção de propagação do feixe de luz, gera-se um desvio na fase proporcional ao deslocamento. Em elastografia de coerência ótica de compressão quasi-estática sensível à fase, são adquiridas duas imagens com a amostra em dois estados diferentes de compressão e o desvio de fase em cada ponto é calculado. O desvio é posteriormente convertido em deslocamento que por sua vez é usado na estimação da Deformação em cada ponto da amostra. No projeto desenvolvido durante o estágio realizado no Optical and Biomedical Engineering Laboratory (OBEL) da University of Western Australia (UWA), a técnica de elastografia de coerência ótica usada pelo grupo foi modificada/adaptada de forma a adquirir imagens 3D de forma mais rápida e eficiente. Para o fazer, foi necessário modificar as instruções fornecidas ao software de aquisição, testar e otimizar diferentes parâmetros, assim como alterar todo o processamento de dados relativo à construção das imagens. Na técnica originalmente usada pelo grupo, a compressão e a descompressão são aplicadas alternadamente ao fantoma após a aquisição de cada uma das “fatias” (B-scans) do volume total (C-scan). A diferença de fase entre B-scans consecutivos (par comprimido-descomprimido) corresponde ao deslocamento da amostra, que era de seguida usada para calcular a Deformação em cada ponto. A velocidade de aquisição de cada B-scan é limitada pela frequência da compressão-descompressão da amostra, que em regimes quasi-estáticos não pode ultrapassar os 5 Hz. Desta forma, a aquisição de B-scans não pode ser feita a um ritmo superior a 10 Hz (0.1 segundos por B-scan). Num C-scan com 5000 B-scans (2500 B-scans comprimidos e 2500 B-scans descomprimidos), o tempo total de aquisição corresponde a 500 segundos. Na técnica desenvolvida durante o projeto, o volume total da amostra (C-scan) é adquirido com a amostra descomprimida, de seguida a compressão é aplicada e é adquirido um segundo volume com a amostra comprimida. Desta forma, o deslocamento é calculado diretamente através da diferença de fase entre os 2 C-scans. O novo esquema de aquisição permite eliminar a necessidade de efetuar oversampling, reduzindo o volume de dados (número de B-scans) em 10 vezes. A frequência a que é aplicada a compressão-descompressão continua a estar limitada a 5 Hz, mas como esta é aplicada entre C-scans, é a aquisição de C-scans que não pode ser efetuada a um ritmo superior a 10 Hz (0.1 segundos por C-scan). Levando a frequência de aquisição de B-scans ao limite do sistema (100 Hz), em 2 C-scans, um com 500 B-scans comprimidos e outro com 500 B-scans descomprimidos, o tempo total de aquisição corresponde a 5 segundos. Com um sistema de aquisição mais rápido, o tempo total de aquisição poderia ser reduzido a 0.2 segundos. O desempenho do novo esquema de aquisição foi comparado com o esquema anterior através da medição da sensibilidade de fase e da sensibilidade de deformação em imagens de fantomas obtidas com as duas técnicas. O tempo de aquisição de um volume de 5 mm × 5 mm × 2 mm foi reduzido de 500 segundos para 5 segundos, sendo que as sensibilidades se mantiveram na mesma ordem de grandeza. A grande diminuição do tempo de aquisição abre portas a futuras aplicações clínicas com base na elastografia de coerência ótica. Durante a realização do projeto houve a possibilidade de testar a técnica e o novo esquema de aquisição em amostras de tecidos musculares de ratazanas nos laboratórios do grupo e em amostras de tecido mamário cancerígeno no Hospital de Royal Perth. Alguns destes resultados estão contidos nesta dissertação. Com o trabalho desenvolvido neste projeto, foi escrito em conjunto com o meu orientador externo e um outro membro do OBEL, um artigo intitulado “Three-dimensional optical coherence elastography by phase-sensitive comparison of C-scans”, que foi submetido ao Journal of Biomedical Optics e aguarda revisão.As the mechanical properties of healthy and pathological tissue are often different, measuring these properties can be useful in the diagnosis of disease. Elastography is an imaging technique that provides information about the mechanical properties of tissue. In elastography, a mechanical load is applied to the tissue, the resulting displacement is measured using medical imaging, and a mechanical property of the sample is calculated and mapped into an image, known as an elastogram. Elastography was initially developed using ultrasound and magnetic resonance imaging (MRI). More recently, optical coherence tomography-based elastography, referred to as optical coherence elastography (OCE), has been developed providing greater spatial resolution and sensitivity although with lower penetration of 1-2 mm. In this project, a new and high speed acquisition method for three-dimensional (3D) OCE is presented and compared with a previously reported OCE method. In this new method, based on compression elastography, the mechanical load applied to the sample is altered between the acquisition of two OCT volume scans (C-scans), differing from the previous method in which the load is altered between the acquisition of every B-scan. The new acquisition scheme partially overcomes the low acquisition speed limitations imposed by the quasi-static requirements and eliminates the need for oversampling, resulting in faster acquisition rates and the acquisition of less data. Both methods are characterized and compared using tissue-mimicking phantoms. The acquisition method developed in this project improved the acquisition speed of a 3D-OCE data volume with dimensions (x × y × z) of 5 mm × 5 mm × 2 mm from 500 s to 5 s with similar sensitivity. This dramatic improvement in acquisition speed opens the possibility for future clinical applications of the technology. Within this project, to demonstrate the performance of this new method, OCE scans of rat muscle and freshly excised human breast cancer tissue are also presented.Coelho, João PintoKennedy, BrendanRepositório da Universidade de LisboaMalheiro, Francisco Gomes2014-08-26T14:10:09Z20142014-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/11737TID:201293196enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:58:13Zoai:repositorio.ul.pt:10451/11737Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:35:22.224494Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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