30255

عنوان: نظارت بر ضايعه حرارتي به وجود آمده از امواج فراصوت متمركز توان بالا با تفاضل تصاوير انتروپي و پردازش آرتيفكت توينكليگ (Twinkling)

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي- بيوالكتريك

1399

1402/6/28

حميد بهنام

جهانگير توكلي

مهندسي برق

در سال‌هاي گذشته مبدل‌هاي فراصوت با توان بالا توسعه‌ي بسياري داشتند و درمان فراصوت متمركز با شدت بالا (هايفو) به‌عنوان روش درماني بالقوه غيرتهاجمي و غير يونيزه براي از بين بردن توده‌ها با نكروز انعقادي مطرح‌شده است. از مهم‌ترين چالش‌هاي اين درمان، هدايت مبدل هايفو براي قرارگيري ناحيه‌ي كانوني در منطقه‌ي مدنظر براي ايجاد ضايعه‌ي حرارتي است. نظارت با اولتراسوند با توجه به محدوديت‌هاي MRI براي نظارت بر اين درمان، مطرح شده است. روش‌هاي هدايت هايفو با اولتراسوند داراي ويژگي‌هاي مهمي چون هزينه‌ي بسيار پايين، قابليت حمل و قابليت اجراي همزمان با هايفو است. در اين پايان‌نامه به توسعه‌ي روشي براي هدايت درمان هايفو با اولتراسوند با استفاده از روش‌هايي مبتني بر انتروپي و استخراج آرتيفكت توينكلينگ يا چشمك‌زن پرداخته‌شده است. از خصوصيات مهم اين روش‌ها مي‌توان به پيچيدگي محاسباتي بسيار پايين و امكان پياده‌سازي بر دستگاه‌هاي موجود در مراكز درماني اشاره كرد. در اين پژوهش، از سري تصاوير التراسوند B-mode از ماهيچه‌ي خوك برون‌تني تحت صوت‌دهي هايفو كه در پژوهش‌هاي گذشته تهيه شد، استفاده‌شده است. روند تغييرات انتروپي‌هاي منتخب در فريم‌هاي قبل، در حين و پس از درمان هايفو الگويي مناسب براي هدف مطالعه، بررسي شد. در اين بررسي بهترين نتايج با انتروپي‌هاي آستانه، شانون بهبوديافته و نرم حاصل شد كه در فريم‌هاي پس از درمان به ترتيب تا 71 درصد، 68 درصد و 31 درصد نسبت به فريم‌هاي پيش از درمان افزايش داشتند. سپس، انتروپي فريم‌ها در پنجره‌هايي با ابعاد 1 ميلي‌مترمربع محاسبه و در يك ماتريس جديد ذخيره شد. با نمايش بصري ماتريس‌هاي انتروپي استخراج‌شده از تمامي فريم‌ها، نظارت بر تشكيل ضايعه فراهم مي‌شود. با روش‌هايي همچون هم‌پوشاني پنجره‌ها و محاسبه‌ي تفاضل ماتريس قبل از هايفو از ماتريس‌‌هاي در حين و پس از هايفو نظارت بهتري از ضايعه ارائه شد. با اعمال قطعه‌بندي YOLO بر تصاوير، بسته به انتروپي خاصي كه در ساخت تصوير استفاده شده است، در مجموع هر 84 تا 178 ميلي‌ثانيه مساحت ضايعه را گزارش مي‌كند. مساحت پيش‌بيني شده در انتروپي‌هاي مختلف داراي خطايي بين 6 تا 13 درصد بوده است. در قسمت ديگر اين پروژه، مجموعه‌ي تصاوير داپلري از تغييرات فاز تصاوير B-mode با روش استخراج سيگنال داپلري با نمونه‌برداري از سيگنال‌هاي راديوفركانسي متوالي به دست آمد. در اين سري تصاوير در ناحيه‌ي ضايعه، آرتيفكت چشمك‌زن مشاهده شد. وجود اين آرتيفكت در تصاوير داپلري مي‌تواند راهنمايي خوبي براي نظارت بر ضايعه ارايه كند.

1402/10/04

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) Thermal Lesion monitoring by Twinkling Artifacts and Difference in Windowed Entropy Imaging

9/18/2024 12:00:00 AM

In recent years, significant advancements have been made in the development of high-power ultrasound transducers, leading to the emergence of high-intensity focused ultrasound (HIFU) therapy. This non-invasive and non-ionizing treatment approach shows promise in effectively ablating masses through coagulation necrosis. However, a crucial challenge lies in accurately guiding the HIFU transducer to the desired focal area for creating thermal lesions. Ultrasound monitoring has been proposed as an alternative to MRI, which presents certain limitations in monitoring this treatment. Utilizing ultrasound for HIFU guidance offers notable advantages, including cost-effectiveness, portability, and the ability to operate concurrently with HIFU. This thesis focuses on the development of a novel method for guiding HIFU treatment using ultrasound, specifically utilizing entropy-based techniques and extracting the twinkling artifact. These methods possess significant advantages, including exceptionally low computational complexity and the feasibility of implementation on standard medical center devices. The exploration and analysis of these characteristics form a crucial aspect of this research. This research utilized a series of B-mode ultrasound images of extracorporeal porcine muscle subjected to HIFU sonication, obtained from previous studies. The objective was to investigate the changes in selected entropies before, during, and after HIFU treatment, employing a suitable pattern for analysis. Among the entropies examined, the threshold, normalized Shannon, and Norm entropies yielded the most favorable outcomes, exhibiting increases of 71%, 68%, and 31% in the post-treatment frames compared to the pre-treatment frames, respectively. The entropies were then calculated within 1 〖mm〗^2 window and stored in a new matrix. Visualizing these entropy matrices enabled effective monitoring of lesion formation, enhanced by techniques such as overlapping windows and computing the difference between the pre-HIFU matrix and those during and after HIFU. Employing YOLO segmentation, the images provided reports on the total lesion area every 84 to 178 ms, contingent on the specific entropy used for image construction. The predicted area demonstrated an error range of 6% to 13% across different entropies. During the subsequent phase of this project, a comprehensive collection of Doppler images was obtained by extracting Doppler signals. The Doppler signals were derived through the sequential sampling of radio frequency (RF) signals. Within this series of images, a remarkable twinkling artifact was notably observed within the lesion area. Importantly, the presence of this artifact in the Doppler images exhibits significant potential for delivering precise guidance in monitoring the progression of the lesion.

آرتيفكت توينكلينگ , انتروپي , اولتراسوند متمركز با شدت بالا , نظارت تصويري بر درمان

Twinkling Artifact , Entropy , High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) , Image-Guided therapy

Amir Hossein Jamal

Dr. Hamid Behnam