Detecção automática do espaçamento médio de meios periódicos por sinais ultrassônicos retroespalhados / Automatic detection algorithms for mean scatterer space estimation using ultrasound backscattered signals

RESUMO

A interpretação da imagem ultrassônica, por ocorrer de modo visual e qualitativa, traz uma variação inter e intra-observador importante. A adoção de métodos quantitativos é uma forma de diminuir esta dependência. Entre tais métodos está a quantificação do espaçamento médio entre espalhadores (Mean Scatterer Spacing - MSS), que pode ser útil para detectar mudanças na microestrutura quasi-periódica de tecidos como o hepático ou o esplênico. Neste trabalho foram avaliados três métodos clássicos de estimação espectral para cálculo do MSS (sem intervenção do operador): BURG, WIENER e MUSIC. O intuito é comparar suas potencialidades para a estimação automática de espaçamento médio de espalhadores ultrassônicos. Inicialmente as avaliações foram realizadas com 10.000 sinais simulados a partir de um modelo em que se tem controle das variáveis de interesse, e em seguida foram utilizados sinais reais de phantoms de fios de nylon imersos em água. O método de BURG não conseguiu estimar adequadamente o espaçamento em sinais de phantom, tendo apresentado resultados equivalentes aos outros métodos deste trabalho somente para sinais simulados. O método de WIENER para os sinais simulados apresentou resultados de menor percentual de acerto, ficando em segundo lugar, para os sinais dos phantoms. O método de subespaço MUSIC apresentou melhor desempenho global em relação a BURG e WIENER, com resultados de 100% de acerto para o phantom de fio de nylon de 1,2 mm e 91,45% para 0,8 mm considerando uma janela de acerto de 10%.

ABSTRACT

The interpretation of ultrasound imaging is essentially visual and qualitative, so there are important inter and intra-observer variations. Quantification methods aim at decreasing this dependency. Among those, the quantification of the Mean Scatterer Spacing (MSS) can be useful to detect changes in the microstructure of quasi-periodic tissues, such as liver or spleen. This study evaluated the following methods of spectral estimation for calculating the MSS (without requiring operator intervention): BURG, WIENER and MUSIC. The aim is to compare their potential for automatic estimation of MSS from ultrasonic scattering signals. Initially, the evaluation has been carried out using 10,000 simulated signals, with the aim of studying the behavior of the methods using a model in which the variables of interest can be controlled. Then, the methods have been applied to real signals of nylon phantoms immersed in water. The BURG method could not estimate the spacing of US phantom signals, presenting results similar to the other methods only for simulated signals. The WIENER method for the simulated signals was in second place in terms of percentage of success, when considering signals from the phantoms. The subspace method MUSIC had the best performance from all three methods.