Desarrollo de técnicas para imagen ultrasónica volumétrica basadas en coarray compressed sensing

PARTICIPANTES

Equipo investigador: Óscar Martínez Graullera (ITEFI-CSIC, Investigador Principal), Montserrat Parrilla Romero (ITEFI-CSIC), Alberto Ibáñez Rodríguez (ITEFI-CSIC), Gregorio Godoy Vilches (Universidad de Jaén).

Equipo de trabajo: Cristina Rodríguez González (Universidad de Cantabria), Ricardo Tokio Higuti (UNESP, Brasil), Virginia Yagüe Jiménez (CSIC. Titulada Superior Contratada), Adrián Blanco Paetsch (Estudiante UPM. Máster/Doctorado), Jaime Fernández López-Romero (Estudiante UPM. Grado), Julio César Edaurdo de Souza (Estudiante UNESP, Brasil, Doctorado).

RESUMEN

Frente al estado actual, donde la instrumentación de imagen volumétrica para ultrasonidos implica sistemas complejos y de gran volumen, el proyecto COCOS tiene como objeto generar conocimiento para el diseño eficiente de estos sistemas, manteniendo un equilibrio entre recursos y calidad. Desde esta perspectiva, los resultados del proyectos inciden en los siguientes aspectos:

• La eficiencia en el diseño del transductor. El proyecto ha desarrollado un procedimiento de optimización de la entropía en las aperturas dispersas que incrementar la información en la misma a costa de reducir la redundancia. Se reduce así el número de transductores activos en la apertura y se garantiza que nivel de rango dinámico viene determinado por el número de estos elementos.
• La eficiencia en el diseño de la electrónica de control y del grado de paralelismo. Se han diseñado estrategias de de adquisición que preservan la información del coarray optimizando recursos a costa de la redundancia
• La eficiencia en la calidad de la imagen calidad de la imagen. Se pretende mejorar la calidad del análisis de los datos para compensar la reducción de recursos. Así, se ha propuesto un nuevo conformador que mejora el contraste y la resolución lateral en base al análisis estadístico de las múltiples estimas de la reflectividad.

El conocimiento generado permite implementar sistemas donde las prestaciones requeridas se pueden asociar a un grado de complejidad dado, de tal forma que es posible diseñar sistemas muy optimizados en la aplicación y con un bajo coste. En el campo de la medicina, este conocimiento permitirá el desarrollo de un tipo de instrumentación adaptada a las necesidades del procedimiento médico y del paciente, generando un mejor diagnóstico y haciendo más eficiente el guiado por ultrasonido de las intervenciones quirúrgica. En el campo de la Evaluación No Destructiva, esta tecnología abrirá nuevos campos de aplicación.

OBJETIVOS

Objetivo 1. Desarrollar técnicas para el diseño de instrumentación de imagen ultrasónica volumétrica.

El enfoque seguido en este objetivo viene asociado al concepto de apertura sintética. El interés en esta técnica es porque, al contrario que otras que ejecutan la conformación en paralelo al proceso de adquisición, preserva la calidad informativa de los datos y permite generar una imagen de mayor calidad y con capas complementarias de información para mejorar el diagnóstico. Este objetivo de desarrollo en los siguientes resultados:

1. Optimización de la calidad de la información adquirida. Mediante diseño de aperturas dispersas enfocadas a incrementar la superficie efectiva del coarray
2. Optimización del compromiso con los recursos a través de el diseño de estrategias de adquisición. Mediante la reducción de la redundancia en el coarray.
3. Simplificación del diseño del sistema de imagen de apertura sintética. Mediante la instrumentalización de la apertura asociada a la estrategia de adquisición.
4. Desarrollo de nuevas técnicas de conformación basa en un análisis estadístico capaz de explotar la información espacial del coarray

Objetivo 2. Desarrollar métodos para el diseño de sistemas multisensoriales. Se buscan soluciones que permitan una reducción en el volumen de datos a procesar por un sistema multisensorial.

El desarrollo de este objetivo parte del concepto de redundancia en el coarray y como esta se puede explotar para optimizar tanto la distribución de elementos en la apertura, como el número de adquisiciones y el volumen de datos asociados. Este concepto se maneja muy bien en aperturas matriciales, sin embargo fue necesario desarrollar nuevas herramientas de análisis para los arrays en espirales y los arrays de anillos que no siguen una rejilla matricial. Este análisis es la base de nuestra propuesta de metodología de optimización del uso de recursos: transductores, canales paralelo, número de disparos por imagen, etc.

Objetivo 3. Identificar en la naturaleza patrones que puedan ser asimilados al diseño sistemas multisensoriales.

Partiendo de diseños basados en espirales de Fermat, se han encontrado soluciones que cumplen los requerimientos de rango dinámico 1/N, e identificado soluciones a partir de simples reglas geométricas. Estas reglas sirvieron de base al diseño de arrays de anillos segmentados. Estos diseños, completamente antagónicos a los que hemos definido en trabajos previos, mostraban un aumento sensible de la calidad informativa del coarray. Como en el caso de las espirales, se han encontrado soluciones que cumplen los requerimientos de rango dinámico para una banda ancha del 50%. Una propiedad importante en ambos tipos de aperturas es que a partir de un nivel de dispersión mantienen un rango dinámico uniforme independientemente de lo que aumentemos la frecuencia de excitación esto facilita el diseño de aperturas ultradispersas.

Objetivo 4. Desarrollar una línea de investigación orientada a la paralización de algoritmos y el procesamiento de grandes volúmenes de datos.

Este objetivo se refiere a la adquisición de conocimientos cuya proyección excede el ámbito del proyecto. Gran parte del desarrollo hecho precisa de la paralelización para tener un eficiente coste computacional. Se han paralelizado tanto los algoritmos de conformación, como los del cálculo de las funciones de coste que son base de los procesos de optimización como los procesos de conformación. Esta paralelización se ha llevado a cabo principalmente a nivel de software pero también se han hecho pruebas a nivel de hardware específicamente para la implementación de los procesos de conformación sobre fpgas. Otro punto importante, con objeto de completar el concepto de apertura instrumentalizada, ha sido la experimentación sobre dispositivos SBC (Single Board Computer) de cara a evaluar sus prestaciones como base para el desarrollo de sistemas de imagen ultrasónica de bajo coste. Por último se ha trabajado de forma exploratoria sobre el potencial de las nuevas redes neuronales hardware en procesos de conformación.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

OE1. Elaborar métricas para la evaluación de sistemas sensoriales multielemento

Se han demostrado que métricas basadas en la distribución de pesos en el coarray y ligadas al concepto de entropía de teoría de la información pueden identificar aperturas con un buen comportamiento acústico.

OE2. Obtener patrones de distribuciones bidimensionales para sensores con capacidad de proporcionar alta resolución, un buen rango dinámico y un alto grado de dispersión

Se ha encontrado distribuciones, basadas en espirales de Fermat y en arrays de anillos segmentados, que pueden generar aperturas de gran tamaño y cuyo rango dinámico viene determinado por el número de elementos en la apertura. Además se ha confirmado que es posible garantizar su funcionamiento en aperturas ultradispersas. 

OE3. Diseñar procesos de optimización para la planificación de estrategias de adquisición de señales en sistemas de imagen volumétrica

Basándonos en el análisis de la redundancia se ha desarrollado una metodología de optimización que reduce el número de señales ajustando este valor con configuraciones específicas de canales emisores y receptores, de tal forma que podemos reducir el número de canales de señal en paralelo o de disparos.  

OE4. Desarrollar un conformador de haz para imagen volumétrica para aperturas dispersas basado en el coarray

Se ha diseñado un conformador que explota la información espacial del coarray para generar miles de estimas de reflectividad. Este conformador se completa con un análisis estadístico basado en la distribución de Rice que mejora el contraste en la imagen y la resolución lateral. La bondad del conformador es función de la diversidad espacial del coarray, precisando coarrays con una alta densidad de ocupación.

OE5. Desarrollar metodología para fabricar e instrumentalizar prototipos aperturas bidimensionales dispersas para imagen volumétrica

Se han construido distintos prototipos de aperturas basadas tanto en espirales como en arrays de anillos segmentados con distinto grado de éxito. Se han evaluado sus prestaciones e identificado los problemas de diseño y fabricación. Se ha diseñado un front-end analógico para emisión y recepción integrable en la propia apertura, aumentando la protección de las señales y minimizando las interconexiones.

Medida obtenida con vibrómetro de la respuesta mecánica de una apertura dispersa bidimensional plana de 16 elementos

OE6. Desarrollar un prototipo de sistema de imagen volumétrica

Se han diseñado y fabricado las distintas partes de un sistema de apertura sintética. Tanto en lo que se refiere al hardware como al software.

Imagen de un hilo sumerjido en agua obtenido a partir de una apertura dispersa bidimensional de 16 elementos.
En la izquierda superior: imagen compuesta con una apertura plana. En la derecho superior: imagen obtenida con una apertura focalizada. En la parte inferior detalle del hilo en 3D

IMPACTO DE LOS RESULTADOS DEL PROYECTO

El proyecto COCOS se alinea sobre la directiva "salud, cambio demográfico y bienestar" y tiene como objeto generar conocimiento para el diseño eficiente de sistemas ultrasónicos de imagen volumétrica y mejorar los procedimientos de diagnóstico.

Desde esta perspectiva, los resultados del proyectos inciden en los siguientes aspectos: la eficiencia en el diseño de la apertura dispersa, reduciendo el número de elementos activos y garantizando un nivel de rango dinámico; la eficiencia en el diseño de la electrónica de control y del grado de paralelismo, mediante el desarrollo de procesos de adquisición que preservan la información del coarray optimizando recursos a costa de la redundancia; la eficiencia en la calidad de la imagen calidad de la imagen, mediante la mejora del contraste y la resolución lateral en base al análisis estadístico de las múltiples estimas de la reflectividad.

Frente al estado actual, donde la instrumentación de imagen volumétrica implica sistemas complejos de gran volumen, este proyecto simplifica la complejidad a costa de la redundancia y garantiza un nivel de rendimiento (calidad/velocidad). A pesar de que no se ha podido cerrar un demostrador, el conocimiento generado permite implementar sistemas donde las prestaciones requeridas se pueden asociar a un grado de sofisticación mínimo. Así es posible diseñar sistemas muy enfocados a la aplicación e incluso adaptarlo a las necesidades del paciente para un mejor diagnóstico o el guiado de una intervención quirúrgica.

El proyecto ha proporcionado:

• Herramientas para un diseño de aperturas dispersas basada en términos de la teoría de la información. Hasta ahora esta búsqueda se basaba en costosos cálculos de campo acústico. Además, nuestro resultado permite analizar cualquier tipo de distribución, incluidas las puramente aleatorias. Los resultados han proporcionando aperturas viables para el número de elementos que podemos manejar pero también para aperturas con un número grande de elementos.
• Una interpretación estadística del proceso de conformado que no sólo mejora la respuesta en términos de contraste en la imagen y de resolución lateral, sino que puede ser explotada para obtener información de la estructura del material. En particular, podemos obtener información de la distribución de los lóbulos secundarios y diseñar acciones específicas locales para reducirlos. Este conformados se basa en explotar de forma conveniente la información espacial del coarray y complementa muy bien con el proceso de reducción de canales activos que se hace a costa de la redundancia. Este resultado es novedoso y tiene un gran potencial para ser explotado en las aplicaciones de quantitative ultrasound. Su aplicación en el campo de la salud puede tener relevancia por cuanto que permite inferir información complementaria a la imagen.
• Un procedimiento de fabricación para aperturas a nivel de prototipo que abren las posibilidades de diseño de aperturas especificas para aplicaciones especiales. Esto puede suponer abrir nuevos campos de aplicación en particular en el campo de los ensayos no destructivos.

Los sectores de impacto de los resultados son:

• Salud: estos resultados facilitaran el desarrollo de nueva instrumentación que reforzará el uso de al imagen 3D como herramienta diagnóstica.
• Industria: estos resultados facilitaran el desarrollo de nueva instrumentación que abrirá nuevos campos de aplicación para la imagen ultrasónica en Evaluación No Destructiva.
• Aumento del conocimiento: comprender el funcionamiento de la redundancia dentro de los sistemas multisensoriales permite la optimización de los mismos y desarrollar soluciones fault-tolerant que alargarían el funcionamiento de los mismos.