Imagen médica multimodal avanzada en tiempo real (ARTEMIS)

Objetivos

El objetivo general del proyecto es desarrollar una tecnología de imagen médica multimodal que reduzca al mínimo el uso de radiación ionizante, y que tenga capacidades de tiempo real tanto en la adquisición, reconstrucción tomográfica y registro con el escenario real en el que se desarrolla la exploración como, por ejemplo, puede ser el campo quirúrgico.

Los objetivos específicos son:

  1. Desarrollo de una técnica de imagen de ultrasonidos de alta resolución y tomografía por ultrasonidos adaptada al entorno de tiempo real en aplicaciones intervencionistas.
  2. Diseño de detectores de radiación compatibles con tecnologías de posicionamiento y sistemas de ultrasonidos para su aplicación en imagen intervencionista (cirugía o biopsias). Uso de estas mismas técnicas en arcos de rayos X quirúrgicos.
  3. Tecnología para la fusión en tiempo real de imágenes multimodales con localización espacial dentro de un escenario de acción.
  4. Diseño e implementación de procedimientos de reconstrucción tomográfica ultrarrápida para aplicaciones en tiempo real.
Resultados

El grupo GSTU del CSIC ha trabajado junto con los grupos de UPM y UAH en la consecución del primer objetivo: Obtener una técnica de imagen de ultrasonidos de alta resolución y tomografía por ultrasonidos, en particular, para la detección temprana del cáncer de mama.

Durante el proyecto se ha explotado la capacidad multimodal de la imagen ultrasónica para obtener 3 resultados complementarios:

  1. Imagen circular compuesta de reflexión, de alta resolución y contraste (Fig. 1a).
  2. Tomografía ultrasónica de velocidad, de mayor especificidad (Fig. 1b).
  3. Imagen de coherencia de fase en tiempo real, que elimina artefactos y mejora la detección de micro-calcificaciones.

Fig. 1- Conceptos de imagen ultrasónica multimodal. a) Imagen circular compuesta de reflexión, un array en pulso-eco, 360º; b) Tomografía ultrasónica de velocidad, dos arrays en posiciones opuestas.

Estos trabajos se han realizado con un montaje experimental de diseño propio, en el que los símiles de tejido son explorados en 360º para obtener las modalidades mencionadas. Dos arrays de 128 elementos y 3.5 MHz, se mueven con precisión mediante motores paso a paso, controlados por software (Fig. 2). En el centro de la cuba de inspección se coloca el símil de tejido biológico (phantom de mama, algunos también de diseño propio).

Fig. 2.  Segundo prototipo para experimentación

Un aspecto importante ha sido caracterizar, por análisis numérico, la imagen circular compuesta ya que no existen fórmulas que permitan predecir la resolución, sensibilidad y variabilidad en el espacio de imagen (Fig. 3). Un aspecto relevante es que la resolución tanto en dirección radial como tangencial es, esencialmente, la axial en cualquier lugar. A partir de la composición de 16-20 imágenes sectoriales, las mejoras son marginales.

Fig. 3. Izquierda: Resolución en dirección radial. Variaciones entre 0.19 y 0.23 mm; Derecha: resolución en la dirección tangencial. Variaciones entre 0.24 y 0.3 mm. Diámetro total = 170 mm

La Figura 4.izq muestra la imagen coronal de un símil de mama, obtenida con la metodología Artemis. Las masas, quistes y otras indicaciones son visibles con excelente resolución y contraste. A la derecha se muestra una imagen por coherencia de fase, que mejora la detección de micro-calcificaciones.

Fig. 4. (izq) Imagen circular compuesta de un símil de mama (dcha) Detalle de la región central aplicando el procesamiento por coherencia de fase.

Por otro lado, se han obtenido también mapas de velocidad en modalidad tomográfica de transmisión. Para ello, se hace uso de la información del tiempo de vuelo medido en el anillo formado por la rotación de los transductores para obtener el mapa de velocidades mediante algoritmos de reconstrucción tomográfica. Se ha trabajado tanto en la confección de un algoritmo eficiente de reconstrucción como en un simulador robusto que facilite, mediante  maniquís numéricos, el estudio y caracterización del tomógrafo. Se han realizado reconstrucciones basadas en trazado de rayos (Fig. 5), así como su extensión a modelos más realistas mediante el uso de la señal temporal completa (Fig. 6).

Fig.5. Imagen reconstruida mediante 2D-OSEM  en maniquí símil de mama

Fig.6. Reconstrucción de onda completa en maniquí símil de mama -sobre simulaciones-

En vista de los prometedores resultados, la colaboración establecida entre los miembros del consorcio con ocasión de este proyecto va a continuar tras su finalización. Se ha concluido que estas modalidades podrían ser muy útiles para la detección de cáncer de mama de forma no invasiva. En esta línea se ha propuesto un proyecto que complementa la imagen ultrasónica con la funcional.

Para su aplicación clínica práctica, habrá que desarrollar un anillo de arrays y una electrónica masiva de imagen para limitar el tiempo de exploración. Dada la alta complejidad de la conformación electrónica de haces ultrasónicos y el gran número de canales independientes necesarios (1000 a 2000), se ha avanzado en la definición y diseño de una arquitectura realizable que permita obtener una imagen volumétrica en un tiempo razonable (~ 1 minuto).

Fig. 7. Unidad de Control e Interfaz basada en Spartan-6: 1GB DDR-3, USB-2.0 y GigaEthernet Fig. 8.  Primer prototipo sistema electrónico 32 canales con conector para array y SMBs.

Los grupos CSIC y UAH han desarrollado los primeros elementos de la nueva arquitectura: la Unidad de Control e Interfaz, UCI, (Fig. 7) y un primer prototipo de sistema de 32 canales en paralelo (Fig. 8), utilizando tecnología de última generación y técnicas avanzadas de diseño.

La UCI es un  SoC basado en un procesador RISC empotrado que realiza el control y gestiona las comunicaciones con un PC (Fig. 9). En las comunicaciones Ethernet se ha adoptado una solución mixta TCP/UDP. Para las comunicaciones USB, una DMA específica realiza el movimiento eficiente de datos desde la memoria DDR3 hacia el controlador externo sin intervención del procesador.

Para la transferencia de datos a alta velocidad se ha desarrollado una solución basada en MGTs con el protocolo AURORA a 2.4 Gbps. La conexión se realiza mediante un enlace de fibra óptica (Fig. 10). El diseño obtiene tasas de transmisión de 210 MBytes/s, un orden de magnitud superior al estándar USB-2.0. Para la recepción de datos se ha diseñado un controlador PCIe.

Fig. 9. Arquitectura interna del SoC para la Unidad de Control e Interface

Fig. 10- Comunicaciones multigigabit basadas en MGTs

Asimismo, en este proyecto se ha desarrollado un módulo IP para el control y comunicaciones con el sistema Analog Front-End (AFE) que reduce  el consumo de energía y los recursos utilizados, manteniendo ventanas de captura de ~1 ns.

En este proyecto también se ha aportado una solución basada en memoria dinámica externa (DDRx compartida entre los distintos agentes que integra el SoC (procesador, aceleradores HW, etc). Se han desarrollado controladores de memoria DDRx de gran eficiencia y reducido consumo de recursos.

Durante el proyecto también se han explorado metodologías HLS (High Level Synthesis) para el desarrollo de sistemas de imagen ultrasónica sobre FPGAs. En particular, se ha estudiado la implementación de un conversor de barrido digital  con arquitectura distribuida.

Publicaciones

J. Camacho, L. Medina, J.F. Cruza, J.M. Moreno, C. Fritsch, “Multimodal ultrasonic imaging for breast cancer detection”, Archives of Acoustics, Volumen  37-3, Páginas 253-260, Setiembre de 2012, DOI: 10.2478/v10168-012-0033-4.

J.M. Moreno, M. Sánchez, J.F. Cruza, L. Medina, “Mini-Módulo HW de altas prestaciones, basado en Saprtan6 con análisis de integridad de señal”, Actas de las XII Jornadas de Computación Reconfigurable y Aplicaciones (JCRA), pp. 4-9, ISBN:978-84-695-4470-9, 2012.

J. Camacho, C. Fritsch, “Phase coherence imaging of grained materials”, IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Volumen 58-5 , Páginas 1006-1015, Mayo de 2011, DOI: 10.1109/TUFFC.2011.1901

Camacho, Jorge; Brizuela, Jose; Moreno, Jose Miguel; F. Cruza, Jorge; Fritsch, Carlos “Instrumentación para tomografía ultrasónica médica y primeras imágenes”, Conferencias y Comunicaciones TECNIACUSTICA'11, ISBN: 978-84-87985-20-1, 2011.

Entidades participantes en el proyecto

Fundación para la Investigación Biomédica del Hospital Gregorio Marañón, Universidad Politécnica de Madrid, Universidad Complutense de Madrid, Consejo Superior de Investigaciones Científicas y Universidad de Alcalá.