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Tesis:

Desarrollo de algoritmos de evaluación de la concentración celular a partir de imágenes ecográficas para el cribado de meningitis

  • Autor: FERNÁNDEZ LOZANO, Alba

  • Título: Desarrollo de algoritmos de evaluación de la concentración celular a partir de imágenes ecográficas para el cribado de meningitis

  • Fecha: 2022

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA MECANICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70320/

  • Director/a 1º: ELVIRA SEGURA, Luis

  • Resumen: Las técnicas ultrasónicas gozan de un gran atractivo en medicina como método de diagnóstico y examen clínico in vivo por ser no invasivas, no presentar contraindicaciones, aportar un análisis en tiempo real y ser de manejo y costos asequibles. Comúnmente, la ecografía médica se basa en el análisis cualitativo de la imagen de contrastes formada por las reflexiones de la señal acústica al traspasar los diferentes tejidos. Sin embargo, en los últimos años se ha demostrado su capacidad de aportar información cuantitativa del medio, lo que supone una oportunidad para caracterizar la microestructura de los tejidos bilógicos. Dadas las ventajas que presenta frente a otras técnicas, existe un interés por adaptar y evolucionar la ecografía en esta dirección de forma que puedan resultar como refuerzo, incluso alternativa, en determinadas exploraciones médicas. Este trabajo se centra en la exploración de suspensiones celulares, la cual constituye una de las pruebas in vitro de diagnóstico y control de salud más comunes, como potencial aplicación de la ecografía cuantitativa. La presente tesis propone un método de estimación de la concentración celular a partir de imagen ultrasónica. En concreto, se ha enfocado esta utilidad en el análisis del líquido cefalorraquídeo a partir de ecografía transfontanelar para el cribado médico de meningitis, en el cual aumenta el número de leucocitos en presencia de un agente infeccioso. Por ello, se ha establecido un rango de concentraciones objetivo para el método a desarrollar de 5 a 3000 células/μl, magnitudes relevantes en la detección y seguimiento de dicha enfermedad. Con el fin de cubrir tan amplio margen, se han desarrollado dos algoritmos complementarios, cada uno destinado a resolver rangos de concentraciones diferentes. El primero de ellos está basado en la detección y conteo individual de ecos procedentes de células. El criterio para el reconocimiento de estos ecos en la imagen parte del cálculo de la amplitud máxima que estos pueden alcanzar, cuando la célula se encuentra en el foco del transductor. Este método es válido siempre y cuando no se produzca una superposición excesiva de los ecos en la imagen, es decir, cuando la concentración de células es alta, que impida una discriminación correcta entre ellos. Por consiguiente, se ha propuesto una segunda metodología de análisis capaz de detectar variaciones en las señales en altas concentraciones. Este otro algoritmo recurre a las técnicas de estadística de envolventes para el análisis de la señal acústica. Para ello, en esta tesis se han revisado los modelos matemáticos de las distribuciones estadísticas más comunes empleadas en la caracterización de medios con reflectores (de Rayleigh, de Rice, K y K-homodina) a partir de la envolvente de la señal retrodispersada. Una vez establecido el procedimiento teórico de cada uno de los métodos de cuantificación, se ha comprobado su eficacia a partir de ensayos con datos simulados y medidas experimentales. Para los primeros, se han simulado imágenes ecográficas de suspensiones celulares de concentración variable dentro del rango de interés, realizadas con un transductor teórico de iguales características que el utilizado en la experimentación. Estos datos han permitido examinar, en un entorno controlado, el comportamiento de los parámetros estadísticos de los modelos considerados con el objetivo de encontrar un parámetro que pueda ser relacionado con la densidad celular de la imagen ecográfica. En este estudio se ha demostrado que el parámetro μ de la función K-homodina es directamente dependiente de la densidad de células de la suspensión explorada con una importante sensibilidad, por lo que se emplea en la implementación del segundo de los algoritmos de conteo. Además, los ensayos con imágenes simuladas se han orientado en demostrar la robustez de ambos métodos de cuantificación a los diferentes factores típicos de una ecografía médica in vivo: presencia de ruido, variaciones en la amplitud de la señal o polidispersión en el tamaño de los reflectores. Por su parte, para la obtención de medidas ecográficas experimentales se ha establecido la instrumentación, basada en un transductor focalizado de 20MHz de frecuencia central, y el protocolo experimental necesarios. Estas han sido realizadas de forma intensiva con suspensiones de partículas de poliestireno como modelo físico y, de forma preliminar, con leucocitos; variando igualmente su concentración. Un conjunto de estas medidas se ha realizado haciendo uso de láminas atenuantes sintéticas, a modo de tejidos fontanelares, interpuestas entre el transductor y la muestra. A partir de las imágenes experimentales adquiridas se ha evaluado la eficacia de los métodos de cuantificación en un contexto más realista. En base a los resultados obtenidos se ha establecido un criterio para unificar ambos algoritmos de cuantificación de forma que se ha extendido la validez del método en todo el rango de concentraciones abordado. Los estudios y buenos resultados obtenidos en el presente trabajo sientan las bases para un posterior desarrollo de la técnica cuya finalidad última es el cribado in vivo de la meningitis en neonatos. ----------ABSTRACT---------- Ultrasound techniques are very attractive in medicine as a method of diagnosis and in vivo clinical examination because they are noninvasive, have no contraindications, provide real-time analysis and are easy to use and affordable. Commonly, medical ultrasound is based on the qualitative analysis of the contrast image formed by the reflections of the acoustic signal as it passes through the different tissues. However, in recent years, its capacity to provide quantitative information of the medium has been demonstrated, which represents an opportunity to characterize the microstructure of biological tissues. Given its advantages over other techniques, there is an interest in adapting and developing ultrasound in this direction so that it can be used as a reinforcement, or even as an alternative, in certain medical examinations. This work focuses on the exploration of cell suspensions, which is one of the most common in vitro diagnostic and health control tests, as a potential application of quantitative ultrasound. This thesis proposes a method for estimating cell concentration from ultrasound imaging. Specifically, this utility has focused on the analysis of cerebrospinal fluid from transfontanellar ultrasound for the medical screening of meningitis, in which the number of leukocytes increases in the presence of an infectious agent. Therefore, a range of target concentrations has been established for the method to be developed, from 5 to 3000 cells/μl, relevant magnitudes in the detection and monitoring of this disease. In order to cover such a wide range, two complementary algorithms have been developed, each one aimed at solving different concentration ranges. The first one is based on the detection and individual counting of echoes from cells. The criterion for the recognition of these echoes in the image is based on the calculation of the maximum amplitude that they can reach when the cell is in the focus of the transducer. This method is valid as long as there is no excessive overlapping of the echoes in the image, i.e. when the concentration of cells is high, which prevents correct discrimination between them. Therefore, a second analysis methodology capable of detecting signal variations at high concentrations has been proposed. This other algorithm considers envelope statistics techniques for the analysis of the acoustic signal. For this purpose, the mathematical models of the most common statistical distributions used in the characterization of reflecting media (Rayleigh, Rice, K and K-homodyne) from the backscattered signal envelope have been reviewed in this thesis. Once the theoretical procedure for each of the quantification methods had been established, their efficacy was tested using simulated data and experimental measurements. For the former, ultrasound images of cell suspensions of varying concentrations within the range of interest were simulated with a theoretical transducer of the same characteristics as the one used in the experiment. These data have made it possible to examine, in a controlled environment, the behavior of the statistical parameters of the models considered with the aim of finding a parameter that can be related to the cell density of the ultrasound image. In this study it has been shown that the parameter μ of the K-homodyne function is directly dependent on the cell density of the scanned suspension with an important sensitivity, and is therefore used in the implementation of the second of the counting algorithms. In addition, tests with simulated images have been oriented to demonstrate the robustness of both quantification methods to the different factors typical of in vivo medical ultrasound: presence of noise, variations in signal amplitude or polydispersion in the size of the reflectors. The necessary instrumentation, based on a 20MHz center frequency focused transducer, and the experimental protocol have been established for obtaining experimental ultrasound measurements. These have been carried out intensively with suspensions of polystyrene particles as a physical model and, preliminarily, with leukocytes, also varying their concentration. One set of these measurements was carried out using synthetic attenuating layers, as fontanel tissues, interposed between the transducer and the sample. From the experimental images acquired, the effectiveness of the quantification methods was evaluated in a more realistic context. Based on the results obtained, a criterion has been established to unify both quantification algorithms in such a way that the validity of the method has been extended throughout the range of concentrations addressed. The studies and good results obtained in the present work lay the foundations for further development of the technique whose ultimate purpose is the in vivo screening of meningitis in neonates.