PROJECTO VOLUS
RESUMO
O objectivo a longo prazo deste projecto passa pelo desenvolvimento de um sistema ecográfico “freehand” de diagnóstico clínico capaz de proporcionar imagens a três dimensões (3D) de elevada resolução a partir de imagens a duas dimensões (2D). Existe um consenso geral que este desenvolvimento representa um passo positivo para a imagiologia médica e para muitas aplicações clínicas que têm vindo a ser sugeridas por diferentes áreas. Concretamente, com este projecto, pretende-se desenvolver um dispositivo clínico para avaliar o ventrículo esquerdo do coração humano a partir de dados 3D (4D) obtidos por um sistema de ultra-sons “freehand”. O diagnóstico clínico irá requerer imagens de alta resolução que permita aos técnico visualizar o coração com elevado detalhe. A utilização de ultra-sons tridimensionais é mais vantajosa de que a utilização de dados bi-dimensionais porque: (1) permite ao observador obter uma melhor panorâmica do campo de interesse em três planos ortogonais e de forma simultânea; (2) os dados poderão ter uma resolução milimétrica em todas as 3 dimensões; (3) o paciente é sujeito a menor tempo de varrimento porque o volume pode ser armazenado e visionado posteriormente; (4) a visualização anatómica não é possível com varrimentos 2D; (5) o fluxo sanguíneo no órgão em causa é mais fácil de visualizar numa representação em volume. Ainda, como importante objectivo deste projecto, pretende-se reduzir o número de varrimentos necessários à formação do volume, através do incremento da velocidade de aquisição usando para o efeito “arrays” 2D. O sistema de aquisição de imagens 3D englobará os seguintes estágios distintos: varrimento, reconstrução e visualização. Antes de se efectuar o varrimento, um sensor de posição será rigidamente ligado à sonda da máquina de diagnóstico 2D convencional. Este funciona como um receptor de um sistema de posicionamento que determinará a sua posição relativa a um emissor, colocado num referencial fixo. Deste modo as imagens do varrimento serão registadas conjuntamente com a posição da sonda. No estágio seguinte, o conjunto de varrimentos 2D é utilizado para actualizar uma estrutura de dados volumétrica composta por voxels. Esta estrutura de voxels é posteriormente representada por intermédio de uma técnica de visualização de volumes ou de interpolação de superfícies, após operações de segmentação. Um algoritmo de visualização da superfície e de medição de volume será desenvolvido para um sistema de ultra-sons, incluindo o estudo do modelo geométrico que se adapta ao ventrículo esquerdo nas suas fases de movimento. Um ênfase especial será colocado no número de secções utilizadas para determinar esse volume, com uma dada precisão. O volume será actualizado em tempo real para cada imagem segmentada e interpolando as superfícies.
Abstract
The
long term goal of this project consists of the development of a high resolution
freehand three-dimensional (3D) diagnostic system by ultrasound using the 2D
recorded images. In the last three decades, much research work has been
provided in order to produce 3D images by the display of the three orthogonal.
There is general agreement that this development represents a positive step
forward in medical imaging. More precisely, with this project, one intends to
develop a clinical diagnostic ultrasound system together with software tools to
evaluate the heart left ventricle using 3D (or 4D – 3D plus time)
ultrasonic imaging acquired by attaching a position sensor to the probe of conventional
2D ultrasound equipment. The clinic diagnosis will require very high resolution
images offering the technicians the visualisation of important details of the
part being assessed. The use of the three-dimensional ultrasonic technique
presents great advantages when compared to the conventional two-dimensional
one, such as: (1) the clinician has a complete overview of the field of
interest as all three orthogonal planes are seen simultaneously on the screen.
This allows an exact identification of anatomical planes as well as precise
volume measurement; (2) the storage information can be visualised millimeter by
millimeter in all three dimensions; (3) the patient has the advantage of a
reduced scanning time since the evaluation of the stored volume is carried out
off-line; (4) anatomical views are not possible with 2D scanning; (5) the left
ventricular outflow is easier to observe with the 3D volume. As this technique
can be time-consuming, another important goal of this project is to enhance the
acquisition speed and resolution by using 2D annular arrays.The 3D ultrasound
freehand device has three stages: scanning, reconstruction and visualisation.
Before scanning, some sort of position sensor is used. In this project we
intend to use magnetic field receiver-transmitter pair, due to their precision.
The receiver will be mounted in the scanner at short distance from the
ultrasound probe. Measurements from the position sensor are used to determine
the positions and orientations of the scans with respect to a fixed
referential, usually the transmitter of the electromagnetic position sensor. In
the next stage, the set of acquired scans and their relative positions are used
to fill a regular voxel array. Finally, this voxel array is visualised using,
for example, any-plane slicing, volume rendering or surface rendering (after
segmentation). To achieve this long term goal the project’s activities
will include the development of techniques for registration, rendering and
processing of ultrasound images, obtained by a freehand ultrasound system. The
application will use conventional 2D echocardiography images for displaying
volumes in time which will improve the diagnostic accuracy regarding to cardiac
output (CO) and ejection fraction (EF).
Objectives
The primary goal of this project is the research and
development of techniques capable to provide improved clinical and diagnostic
performance through new 3D and 4D cardiac acquisitions techniques.
Cardiologists say that a tool for displaying volumes in time will improve the
diagnostic accuracy. To achieve this long term goal it is necessary to develop
techniques that assure the integrity of 3D ultrasound data, and produce them
easily. The project’s activities will consist of the development of
techniques for registration, rendering and processing of ultrasound images,
obtained by a freehand 3D ultrasound system. The simplest and very useful
clinical parameter used to assess cardiac function is ejection fraction (EF),
calculated as the difference between end diastolic and end systolic left
ventricular volumes. Thus, volume measurement and surface visualisation
algorithms will be developed for sequential freehand 3D ultrasound including
the estimation the conic model that fits the ventricle on its two phases of cardiac
cycle: diastoly and sistoly.
ARTIGOS RESULTANTES DO PROJECTO VOLUS - POSC/EEA-SRI/60062/2004