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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-14122020-112727
Document
Author
Full name
Nilton Barbosa da Rosa Júnior
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Nan, Pai Chi (President)
Carbonari, Ronny Calixto
Takahata, André Kazuo
Title in English
Test bench for development of imaging reconstruction algorithms for ultrasound tomography.
Keywords in English
Lung monitoring
Mechanical ventilation
PZT transducer
Ultrasound tomography
Abstract in English
Imaging exams are important to monitor patients under mechanical ventilation in the Intensive Care Unit (ICU). A common exam for anatomical imaging is the Computed Tomography. However, this imaging method has its drawbacks, such as the need to remove the patient from the ICU, which increases the risk for complications; use of ionizing radiation, which is harmful if used continuously. For functional imaging, Electrical Impedance Tomography (EIT) is a recent imaging technique to continuously monitor pulmonary functions at the bedside in ICUs. Nevertheless, EIT still presents low spatial resolution and low location accuracy. The Ultrasound Tomography (UST) has the potential to provide better pulmonary functional imaging. However, it has never been used before. The aim of this work is to develop an experimental test bench, to simulate an UST system, and to evaluate its feasibility for pulmonary functional imaging. 9 single-element transducers were manufactured by using 500 kHz piezoelectric ceramic and were characterized by measuring its electrical impedance, pulse-echo response, transmitted acoustic pressure and sensitivity, through the transmission and reflection techniques. 8 of the manufactured transducers were selected to be assembled on a wooden cylinder that was placed inside a tank filled with water. One transducer was used as emitter and four others as receptors, with a phantom placed in several positions inside. The electrical impedance and the pulse-echo results showed frequencies below 200 kHz with amplitudes between 20 and 300 mV (peak-to-peak). Moreover, the acoustic pressure and sensitivity measurements showed that the manufactured transducers have central frequencies around 170 kHz with transmitted acoustic pressure between 8.9 kPa and 148 kPa, and sensitivity responses from 15.24 V/MPa to 59 V/MPa. The evaluation of the test bench also showed signals compatible to expected, showing the feasibility of this UST test bench for the development of reconstruction imaging algorithms.
Title in Portuguese
Bancada de testes para desenvolvimento de algoritmos de reconstrução de imagens para a tomografia por ultrassom.
Keywords in Portuguese
Imageamento (Bioengenharia)
Pulmão (Monitoramento)
Respiradores mecânicos
Tomografia
Ultrassonografia
Abstract in Portuguese
Exames de imagem são importantes para monitorar pacientes sob ventilação mecânica na Unidade de Terapia Intensiva (UTI). Um exame comum para imagens anatômicas é a tomografia computadorizada por raio-x. No entanto, esse método de imagem tem suas desvantagens, tais como a necessidade de remover o paciente da UTI, aumentando o risco de complicações; o uso de radiação ionizante, a qual é prejudicial ao ser usada continuamente. Para imagens funcionais, a Tomografia por Impedância Elétrica (EIT) é uma técnica recente de imageamento para monitorar continuamente as funções pulmonares a beira do leito nas UTIs. No entanto, a EIT ainda apresenta baixa resolução espacial e baixa precisão de localização. A tomografia por ultrassom (TUS) tem o potencial de proporcionar uma melhor imagem funcional pulmonar. Contudo, essa técnica nunca foi usada antes. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma bancada de testes experimental, simular um sistema TUS e avaliar sua viabilidade para imagens funcionais pulmonares. 9 transdutores mono-elemento foram fabricados com cerâmica piezoelétrica de 500 kHz, e foram caracterizados através da medição de sua impedância elétrica, resposta do pulso-eco, pressão acústica transmitida e sensibilidade, através das técnicas de transmissão e de reflexão. 8 transdutores fabricados foram selecionados para serem montados em um cilindro de madeira que foi colocado dentro de um tanque cheio de água. Um transdutor foi usado como emissor e quatro outros como receptores, com um phantom colocado em várias posições no interior. Os resultados da impedância elétrica e de pulso-eco mostraram frequências abaixo de 200 kHz com amplitudes entre 20 e 300 mV (pico a pico). Além disso, as medidas de pressão acústica e de sensibilidade mostraram que os transdutores fabricados têm frequências centrais em torno de 170 kHz com pressão acústica transmitida entre 8,9 kPa e 148 kPa e respostas de sensibilidade de 15,24 V/MPa a 59 V/MPa. A avaliação da bancada de testes também mostrou sinais compatíveis com o esperado, mostrando que essa bancada de TUS pode ser usada para o desenvolvimento de algoritmos para reconstrução de imagens.
 
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Publishing Date
2020-12-14
 
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