Reconstrução tomográfica utilizando ultrassom a partir do hardware de sonotrombólise. - Ceccato, Roberto Costa (2025)
A imagenologia médica é responsável por grande parte do avanço da medicina moderna. Métodos como a tomografia computadorizada (TC), a ultrassonografia (US) e a ressonância magnética nuclear (RMN) permitem realizar estudos in vivo bem como diagnósticos rápidos e precisos. Dentro desta área, a ultrassonografia vem desempenhando um papel notável no diagnóstico médico desde a segunda metade do Século XX. Usualmente, os métodos de reconstrução de imagens utilizando o ultrassom como fonte física do sinal, resultam em imagens qualitativas e por assumirem um meio homogêneo com respeito a velocidade de propagação do som (SoS) acabam sofrendo com artefatos e aberrações nas formas ou dimensões da região imageada. A busca por métodos eficientes e viáveis de reconstrução de imagens médicas quantitativas por ultrassom é uma atividade de longa data. As principais motivações para tal esforço residem na possibilidade de que, uma vez de posse de um mapa de características físicas do meio, um diagnóstico mais preciso pode ser feito com a caracterização quase unívoca do tecido e diminuição das aberrações ou artefatos da imagem final. Os principais métodos para a reconstrução de imagens quantitativas por US são a elastografia, métodos por Inversão Total de Onda (FWI), tempo de voo em modo transmissão (TFTM), e tempo de voo em modo eco (TFEM). Além do uso diagnóstico do ultrassom, os métodos terapêuticos também têm grande importância. Na área da cardiologia, a sonotrombólise surge como uma alternativa promissora para a dissolução de trombos. O procedimento utiliza feixes focalizados de ultrassom de alta potência com o objetivo de induzir a cavitação de microbolhas injetadas na corrente sanguínea do paciente. Nesse contexto, o presente trabalho desenvolveu e avaliou os limites da reconstrução de imagens médicas quantitativas a partir de sinais de ultrassom captados utilizando o esquema geométrico de um equipamento de sonotrombólise. Esse equipamento extremamente especializado vem sendo pesquisado e desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Engenharia Biomédica da Universidade de São Paulo. Com o intuito de permitir uma identificação precisa dos tecidos e corrigir as aberrações causadas pela suposição de velocidade do som constante, a imagem reconstruída associa, a cada ponto do espaço discretizado, uma velocidade de propagação do som no meio. Para isso, considerando que a geometria do equipamento de sonotrombólise não dispõe de transdutores em oposição, o princípio de reconstrução adotado foi o TFEM por depender apenas de ecos. Além disso, o equipamento possui transdutores distribuídos de forma esparsa, visando cobrir a região cardíaca com menor complexidade de fabricação. Essa característica impôs uma dificuldade adicional não abordada pela literatura, que em geral considera matrizes densas para evitar problemas de enrolamento de fase. A metodologia proposta consistiu na modelagem detalhada do sinal captado e no desenvolvimento de critérios de aceitação das medidas temporais, além da realização de experimentos numéricos em três phantoms com complexidade crescente para a validação. A propagação de ultrassom foi simulada utilizando o a ferramenta computacional k-Wave para MATLAB, considerando configurações diferentes de transdutores com relação ao número de elementos (8, 32, 64, 128 e 256) e frequência central (500 kHz, 1 MHz e 2 MHz). O principal foco da metodologia foi desenvolver a fundamentação teórica, principalmente com a modelagem do sinal captado, para subsidiar a investigação, orientar o projeto de algoritmos para transdutores esparsos em TFEM USCT, e validar as propostas realizadas. Os resultados sugerem que a reconstrução de imagens via tomografia computadorizada por ultrassom (USCT) quantitativa e utilizando o método TFEM é viável a partir de um equipamento de sonotrombólise, uma vez definidos parâmetros de projetos apropriados quanto ao número de elementos e frequência central. Uma discussão extensiva sobre os parâmetros de projeto apropriadas é realizada ao longo desse estudo. Em suma, as investigações sugerem que a utilização de transdutores esparsos é uma estratégia viável para TFEM USCT. Espera-se que, em trabalhos futuros, a elaboração do mapa de distribuição de velocidades no meio permitirá a correção de grande parte das aberrações e artefatos, levando à possibilidade de otimizar a focalização dos pulsos utilizados para cavitar as microbolhas e ocasionar a sonotrombólise.