Zakład Ultradźwięków

Transkrypt

1 Zakład Ultradźwięków Kierownik: prof. dr hab. inż. Andrzej Nowicki Zakład składa się z trzech pracowni: Introskopii Ultradźwiękowej Mikroskopii Akustycznej Biomechaniki (dr hab. Janusz Wójcik, prof. IPPT PAN) (dr hab. Jerzy Litniewski, prof. IPPT PAN) (dr hab. Barbara Gambin, prof. IPPT PAN) laboratorium Fal Powierzchniowych (prof. dr hab. inż. Eugeniusz Danicki) oraz Zespołu Projektowania Systemów Elektronicznych Cyfrowego Przetwarzania Sygnałów (dr Marcin Lewandowski) Tematyka: 1. Wspomaganie diagnostyki ultradźwiękowej 2. Czynne ultradźwięki 3. Działalność elektroniczna i technologiczna Prezentacja: Jerzy Litniewski

2 Zakład Ultradźwięków Współpraca ze Szpitalem MSWiA Temat: Wyznaczanie parametrów skóry ludzkiej in vivo za pomocą ultradźwięków wysokiej częstotliwości Cel: wspomaganie diagnostyki zmian nowotworowych skóry Metoda: analiza ech ultradźwiękowych Wyniki: parametr kształtu rozkładu K i wsp. tłumienia pozwalają na różnicowanie skóry zdrowej i nowotworu podstawnokomórkowego Perspektywy: zastosowanie analogicznych metod badania tkanki do różnicowania zmian nowotworowych piersi Nowotwór podstawnokomórkowy Nowotwór podstawnokomórkowy Skóra zdrowa Rozkład K, efektywna liczba rozpraszaczy Skóra zdrowa Amplitude Współczynnik Tłumienia M SKÓRA ZDROWA NOWOTWÓR PODSTAWNOKOMORKOWY

3 Zakład Ultradźwięków Współpraca ze Szpitalem Bródnowskim Temat: Wyznaczanie parametrów tkanki piersi in vivo za pomocą ultradźwięków Cel: Opracowanie metod umożliwiających różnicowaniu zmian nowotworowych piersi Metoda: Analiza ech-rf ultrasonograficznych z tkanki piersi Wyniki: Parametr kształtu rozkładu K oraz rozkładu Nakagami umożliwiają różnicowanie tkanek zdrowych i tkanek rakowych, nie pozwalają natomiast na różnicowanie zmian łagodnych oraz tkanek zdrowych Perspektywy: Nowa metoda diagnostyki i różnicowania zmian nowotworowych piersi Guz liściasty zobrazowany w dwóch płaszczyznach Zarejestrowano i przeanalizowano 54 zmiany, w tym 17 nowotworów złośliwych

4 Zakład Ultradźwięków Temat: Pomiar i obrazowanie tłumienia w tkance miękkiej Cel: Opracowanie nowej metody obrazowania struktury tkankowej człowieka. Metoda: Estymacja tłumienia działa w oparciu o śledzenie zmian częstotliwości średniej widma sygnału rozproszonego wstecznie. Wyniki: Metoda testowana na wzorcach tkankowych i danych zebranych in-vivo. Praca doktorska zakończona w roku 2013 (obroniona w IPPT). Perspektywy: Nowa metoda obrazowania ultrasonograficznego. Obrazowanie tłumienia in vivo i w czasie rzeczywistym Wyniki zastosowania metody na wzorcu tkankowym Obrazowanie wątroby in-vivo (przetwarzanie off-line)

5 Zakład Ultradźwięków Modelowanie rozproszenia fali ultradźwiękowej w kości gąbczastej Cel: Wspomaganie diagnostyki chorób metabolicznych kości Metoda: Symulacja rozproszenia fali ultradźwiękowej w modelu numerycznym kości gąbczastej Wyniki: Wyniki analizy wpływu charakterystycznych cech struktury kości na parametry rozproszonego pola Perspektywy: Wyznaczenie związków pomiędzy strukturą kości a rozproszonymi falami ultradźwiękowymi Model kości ( SttZ, SttX, SttY ) ( SttZ, SttX, SttY ) ( SttZ, SttX, SttY) C14m C14m C24m Pole rozproszone dla kolejnych rzędów rozproszenia C34m

6 BSC [a.u.] Zakład Ultradźwięków Współpraca z Centrum Biostruktury Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego Ocena struktury kości gąbczastej poprzez analizę rozproszonej fali ultradźwiękowej Cel: Wspomaganie diagnostyki chorób metabolicznych kości Metoda: Pomiary własności kości in vivo szyjka kości udowej Wyniki: Echa ultradźwiękowe z szyjki kości udowej i metody wyznaczania własności tkanki kostnej Perspektywy: Wyznaczenie związków pomiędzy strukturą kości a rozproszonymi falami ultradźwiękowymi Szyjka kości udowej skaner kości frequency [M Hz]

7 Distance from central point of the LV model z distance Distance from from probe the probe Zakład Ultradźwięków Współpraca z Wojskowym Instytutem Medycznym Temat: Wyznaczania deformacji tkanek podczas ruchu za pomocą śledzenia pomieszczenia ziarna w obrazie USG. : Cel: testowanie istniejących lub tworzenie nowych algorytmów śledzenia przemieszczenia ziarna dla poprawy jakości metod oceny elastyczności mięśnia sercowego; cele edukacyjne. Metoda: Numeryczne modelowanie deformacji i ruchu mikrorozpraszaczy wraz z procesem ich detekcji ultrasonograficznej. Pomiary na zbudowanym modelu LV(lewej komory serca). Wyniki: Unikalne stanowisko pomiarowe, symulator US ech z numerycznego modelu LV, weryfikacja metody spackle tracking za pomocą Multislices CT (1.7% ). Perspektywy: diagnostyka zmian patologicznych ściany serca; dydaktyka. a) [mm] Modelowanie numeryczne rozpraszania, detekcji i obrazowania. t [cycles] Mpix b) t=0 t=0.125 t=0.25 t=0.5 r S =0 r S =0 r S =0 r S =0 Mpix1 Mpix1 Mpix1 scanning direction r s Stanowisko pomiarowe Skaner USG, pompa tłokowa, model lewej komory serca, Wynik badania modelu a) Wyznaczone ziaren wewnątrz warstw fantomu numerycznego b) ziarnisty obraz wyróżnionych Scanning warstw direction wewnątrz ściany dla czterech faz kontrakcji ściany Model ściany serca ze zmianą imitującą lokalne stwardnienie a) Prezentacja typu B, b) Prezentacja typu M c) Linia RF w skurczu d) Linia RF w rozkurczu

8 Zakład Ultradźwięków Współpraca z Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. Mirosława Mossakowskiego PAN Wpływ efektów termicznych indukowanych ultradźwiękami podczas terapii sonodynamicznej (z udziałem kwasu 5-aminolewulinowego) komórek C6 szczurzego glejaka na ich żywotność Cel: Optymalizacja parametrów akustycznych wiązki ultradźwiękowej nie wywołującej wzrostu temperatury w rejonie komórek powyżej 430 C, prowadzącej do ich śmierci Metody: pomiar wzrostu temperatury w rejonie komórek za pomocą termopary, ocena ich żywotności za pomocą testu kolorymetrycznego MTT, ocena strukturalnych zmian za pomocą mikroskopu świetlnego. Wyniki: zakresy mocy ultradźwięków i czasu napromieniowania bezpieczne dla komórek Perspektywy: badania in vivo na zwierzętach, zastosowanie do sonodynamicznej terapii nowotworów Power Amplifier ENI 3100LA Arbitrary Function Generator Agilent 33250A t = 180s, T > 56 o C Transducer Cooling System cells Żywotność komórek po 3 minutach ekspozycji na ultradźwięki o mocy akustycznej W. H 2 O Absorber Temperature control 37 o C T < 43 o C t = 60s 110s Nowe urządzenie badawcze Morfologia komórek po 3 minutach ekspozycji na ultradźwięki o mocy 16W i 20W. Żywotność komórek po ekspozycji na ultradźwięki o mocy akustycznej 10 18W i czasie ekspozycji nie wywołującym wzrostu temperatury > 43 o C

9 Zakład Ultradźwięków Współpraca z Centralnym Szpitalem Klinicznym MON Temat: Badanie wpływu fali ultradźwiękowej na rozpuszczanie skrzeplin Cel: Przyspieszenie procesu trombolizy przez współdziałanie leku i fali ultradźwiękowej. Metoda: Współdziałanie leku alteplazy (tpa) i fali ultradźwiękowej (US) 1 MHz o natężeniu niepowodującym uszkodzenia komórek na skuteczność rozpuszczania skrzepu w warunkach in-vitro. Wyniki: Całkowite rozpuszczenie skrzepu w ciągu 20 minut. Perspektywy: Badania in-vivo wspólnie z Centralnym Szpitalem Klinicznym MON. lek tpa, tkankowy aktywator plazminogenu Actilyse 10 μg/ml ultradźwięki f = 1 MHz, I SATA = 0.2 W/cm 2 lek + ultradźwięki kropla zakrzepłej krwi na szalce Petriego pole 25x25 mm sekwencja zdjęć 0 10 min co 2 min

10 Zakład Ultradźwięków Temat: Obrazowanie parametryczne - wykorzystanie sygnału rozproszonego wstecznie do obrazowania prędkości propagacji fali w tkance Cel: śledzenie zmian temperatury w tkance w trakcie zabiegu termoablacji ultradźwiękowej (HIFU) Metoda: Ocena zmian temperatury poprzez estymację zmian prędkości propagacji fali w tkance algorytm ESE (Echo Strain Estimation) Wyniki: Weryfikacja estymatora: błędy estymacji < 10%, odchylenie standardowe 20-30%. Pomiary in vitro: lokalizacja ogniska HIFU, wyznaczenie chwili w której rozpoczyna się proces trwałego uszkadzania tkanek Perspektywy: zastąpienie monitoringu zabiegu HIFU za pomocą NMR monitoringiem ultradźwiękowym Model teoretyczny Układ pomiarowy Arbitrary waveform generator US scanner US probe tissue sample container RF Power Amplifier HIFU probe Zmiany prędkości fali (temperatury tkanki) w czasie grzania tkanki

11 parametr skali rozkładu K parametr kształtu rozkładu K Zakład Ultradźwięków Pracownia Biomechaniki Wzorzec tkanki miękkiej. Badanie właściwości akustycznych, termicznych i związków pomiędzy nimi Cel: Znalezienie parametrów rozróżniających mikrostruktury w akustycznym polu rozproszonym oraz związek parametrów z temperaturą. Metoda: Analiza statystyczna obwiedni rzeczywistego sygnału (RF) rozproszonego i jego rozwinięć falkowych na różnych poziomach analizy wielorozdzielczej (MRA). Wyniki: Zmiany parametru kształtu rozkładu K (wyznaczonego ze statystyki transformacji falkowej amplitudy pola rozproszonego) umożliwiają obrazowanie wzrostu temperatury w równomiernie nagrzewanym wzorcu PVA-kriożel oraz w próbkach tkanek miękkich in vitro grzanych głowicami zogniskowanymi. Perspektywy: Rozszerzenie tematyki na wykrywanie strukturalnych markerów temperatury jednocześnie w amplitudzie i w fazie fali rozproszonej (metoda - zespolone transformacje falkowe) Wzorzec PVA- kriożel - grzanie równomierne Tkanka in vitro grzanie lokalne głowicą o mocy 4 i 6W Użycie aproksymacji falkowych (lub sygnału zrekonstruowanego z pewnego poziomu przybliżenia falkowego) zamiast obwiedni amplitudy sygnału, zmienia skalę parametrów, zmniejsza fluktuacje i poprawia termiczną rozdzielczość krzywej parametr kształtu rozkładu K Lista A: Gambin B., Bielski W., Incompressible limit for a magnetostrictive energy functional, Bull.PAS Tech. Ser. 61, 4, , 2013 (30 p.) Lista B 1.Kruglenko E, Gambin B., Cieślik L., Soft Tissue-Mimicking Materials With Various Number of Scatterers and Their Acoustical Characteristics, HYDROACOUSTICS, 16, , 2013 (9 p.) 2. Gambin B., Doubrovina O., Statistical properties of wavelet transform coefficients of backscattering signal from soft tissues and their phantoms, HYDROACOUSTICS, 16, 59-66, 2013 (9 p.)

12 Zakład Ultradźwięków Temat: Dwustronny zintegrowany szyk przetwornikowy do kształtowania ortogonalnych płaskich wiązek ultradźwiękowych Cel: Opracowanie modelu teoretycznego podwójnego szyku przetworników ultradźwiękowych utworzonego poprzez rozłożenie ortogonalnych przewodzących elektrod po obu stronach płytki piezoelektrycznej Metoda: analityczno-numeryczne modelowanie drgań płytki piezoelektrycznej pobudzanej poprzez układy przewodzących elektrod na jej powierzchniach w przybliżeniu elektrostatycznym, metoda rozkładu BIS (Blotekjar, Ingebrigtsen, Skeie) Wyniki: przybliżony analityczno-numeryczny model obustronnego szyku przetworników ultradźwiękowych Perspektywy: potencjalne możliwości kształtowania pola falowego, sterowania i ogniskowania wiązki akustycznej jak w typowych macierzach przetworników ultradźwiękowych stosowanych w ultrasonografii 3D Dwustronny zintegrowany szyk przetwornikowy Typowy dwuwymiarowy szyk i okablowanie do doprowadzenia sygnałów zasilających, dla 256x256 macierzy potrzeba kabli Układ dwóch szyków liniowych prostopadle zorientowanych po obu stronach cienkiej płytki piezoelektrycznej realizujący dwuwymiarowy szyk przetworników ultradźwiękowych, potrzeba 512 kabli Przykład rozkładu normalnej składowej pola elektrycznego w płaszczyźnie środkowej układu Sterowanie ortogonalnymi wiązkami może być zrealizowane niezależnie w nadawaniu i odbiorze poprzez odpowiednie przetwarzanie sygnałów nadawczo-odbiorczych, celem pełnego skanowania obszaru do obrazowania 3D.

13 Zakład Ultradźwięków Projekt POIG Diagnostyczna aparatura ultradźwiękowa: nowe metody badania i obrazowania struktury tkankowej człowieka Uniwersalna badawcza Platforma USG Cel: Opracowanie w pełni programowalnego badawczego systemu ultrasonografu z przetwarzaniem w czasie rzeczywistym Opracowano i wykonano główne moduły Platformy ultrasonografu: RX64 64-kanałowy moduł równoległej akwizycji sygnałów 65MSPS) TX kanałowy moduł nadawczy Cyfrowe przetwarzanie na procesorach GPU Dostęp do surowych danych ech w.cz. co pozwala na implementację wszelkich metod przetwarzania! Zastosowania: Platforma badawcza USG (badanie medyczne oraz nieniszczące) Rozwój metod obrazowania USG oraz oceny przepływów metodami Dopplera 64 kanałowy moduł akwizycji sygnałów Specyfikacja 192 kanałów nadawczych kanałów odbiorczych Obsługa głowic liniowych, fazowych i convex Przetwarzania na kartach GPU Zaimplementowane algorytmy rekonstrukcji obrazu metodami syntetycznej apertury W pełni programowalne schematy nadawczo-odbiorcze akwizycja i przetwarzanie danych

14 Zakład Ultradźwięków Temat: Działalność elektroniczna i technologiczna Cel: Budowa unikalnej aparatury ultradźwiękowej Wyniki: Nowe ultradźwiękowe układy nadawczo odbiorcze i głowice ultradźwiękowe Hydroakustyka: Wieloelementowa głowica ultradźwiękowa dla celów hydrolokacji; 18 przetworników 150 KHz i środkowy 300KHz średnica 30 cm Wieloelementowy przetwornik pierścieniowy Częstotliwość 25MHz średnica 7 mm

15 Podsumowanie: Badania prowadzone w Zakładzie Ultradźwięków dotyczą tematyki z zakresu ultradźwięków w biologii i medycynie i koncentrują się głównie na wykorzystaniu fal ultradźwiękowych do poznawania struktury obiektów biologicznych w skali mikro i makroskopowej. Większość prac ma na celu szeroko rozumiane wspomaganie diagnostyki i terapii medycznej. Badania prowadzone są we współpracy z lekarzami z takich ośrodków jak szpitale MSWiA, Bródnowski i MON oraz z Warszawskim Uniwersytetem Medycznym i IMDiK-PAN Badania wspomagane są licznymi projektami NCN i NCBiR (10 projektów w 2013)