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Equipe desenvolve uma nova estrutura para ultrassom de super-resolução

Nova estrutura para ultrassom de super-resolução

Crédito: Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada

Pesquisadores do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada usaram aprendizado profundo para desenvolver uma nova estrutura para ultrassom de super-resolução.

As técnicas tradicionais de ultrassom de superresolução usam microbolhas: minúsculas esferas de gás envoltas em uma proteína ou invólucro lipídico. As microbolhas são consideradas um agente de contraste, o que significa que podem ser injetadas em um vaso sanguíneo para aumentar a clareza de uma imagem de ultrassom.

O ultrassom convencional é comum há mais de 50 anos. O desenvolvimento da tecnologia de super-resolução na última década introduziu novos desafios. O ultrassom de super resolução fornece uma imagem muito mais nítida do que o método tradicional. Embora útil para pesquisas e diagnósticos, suas velocidades de processamento são muito mais lentas.

“A imagem convencional não consegue diferenciar vasos que estão muito próximos uns dos outros”, disse Pengfei Song, professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Illinois Urbana-Champaign e autor do artigo. “Com imagens de super-resolução, você pode realmente fazer essa distinção e dizer se há dois vasos ou um único vaso. Você pode dizer a forma dos vasos e, às vezes, há implicações diagnósticas, como com tumores cancerígenos. Mas a tradução clínica tem tem sido difícil porque ninguém vai esperar em um hospital por horas para que essas imagens sejam processadas.

“Espera-se que o ultrassom seja uma modalidade de imagem em tempo real.”

Esse desafio levou Song a se unir ao colega pesquisador da Beckman, Dr. Daniel Llano, professor associado de fisiologia molecular e integrativa e neurologista do Carle Foundation Hospital. Juntos, os pesquisadores testaram uma nova abordagem para a tecnologia de ultrassom de super-resolução.

Seu papel aparece em Transações IEEE em Imagem Médica.

“Como engenheiros, desenvolvemos ferramentas que achamos que serão úteis para os pesquisadores, mas às vezes erramos o alvo”, disse Song. “Este é um caso em que o usuário da tecnologia, como o professor Llano, nos diz como devemos melhorar a tecnologia: torná-la mais rápida.”







O vídeo suplementar demonstra a capacidade de imagem vascular funcional de super-resolução do processamento Deep-SMV. Durante o tempo de aquisição do ultrassom (1,6 segundos), uma pulsatilidade cíclica é visível em toda a rede de vasos CAM em uma frequência que corresponde aproximadamente à taxa esperada do ciclo cardíaco neste estágio de desenvolvimento embrionário (2-3 Hz). Crédito: Xi Chen; Matthew R. Lowerison; Zhijie Dong; Nathiya Vaithiyalingam Chandra Sekaran; Daniel A. Llano; Canção de Pengfei.

As técnicas tradicionais de ultrassom de superresolução produzem imagens nítidas e vibrantes, mas o processo é demorado porque requer uma concentração muito baixa de microbolhas. Para pesquisadores como Llano, cada minuto conta.

Em resposta ao feedback de Llano, o grupo Song voltou à prancheta e decidiu reformular a tecnologia de super-resolução, renunciando totalmente à localização e rastreamento de microbolhas. Em vez de avaliar os dados quadro a quadro, os pesquisadores usaram uma abordagem holística e avaliaram as informações espaço-temporalmente – no espaço e no tempo. Usando uma rede de inteligência artificial, a tecnologia foi capaz de determinar a velocidade do fluxo sanguíneo e converter uma imagem desfocada em uma mais clara com alta resolução.

“No ultrassom convencional de super-resolução, o sinal fica muito desfocado”, disse Matt Lowerison, bolsista de pós-doutorado do Instituto Beckman e autor do artigo. “Temos que tentar encontrar o centro desse ponto muito desfocado para produzir esses pontos superlocalizados em uma imagem. E então, com o tempo, podemos lentamente começar a acumular esses pontos em uma imagem superresolvida. Mas a grande limitação é que leva uma eternidade. Nossa abordagem, que usa uma rede de aprendizado profundo, evita todo esse processo muito caro e apenas produz uma imagem de super-resolução sem ter que se preocupar com essa identificação explícita de microbolhas.”

Como o ultrassom convencional de superresolução é tão lento, o produto final é comparado a uma imagem estática. Mas com o novo método dos pesquisadores, o fluxo sanguíneo pode ser visualizado em tempo real.

“Até onde sabemos, este é o primeiro artigo que obteve o cálculo direto da velocidade do fluxo sanguíneo, tanto na velocidade quanto na direção, usando dados brutos de ultrassom sem qualquer localização ou rastreamento explícito de microbolhas”, disse Song.

Como resultado, as velocidades de processamento foram reduzidas de minutos para segundos e o pós-processamento pode ser feito em tempo real. Os pesquisadores esperam que acelerar a tecnologia de alta resolução a torne uma opção útil para os médicos.

“Já fizemos imagens humanas antes com imagens convencionais, mas é um desafio”, disse Song. “Achamos que esta técnica tem o potencial de super-resolução para ser finalmente usada em um ambiente clínico”.

A colaboração entre os dois grupos de pesquisa foi possível por meio do ambiente compartilhado na Beckman.

“O departamento principal do professor Llano é biologia molecular e celular, portanto, sem Beckman, essa colaboração não teria sido possível, porque precisamos ter um espaço de laboratório comum”, disse Song. “É realmente o espaço físico comum que fez isso acontecer.”

Mais Informações:
Xi Chen et al, Velocimetria de microbolhas de super-resolução livre de localização usando uma rede neural de memória de longo prazo, Transações IEEE em Imagem Médica (2023). DOI: 10.1109/TMI.2023.3251197

Fornecido pelo Beckman Institute for Advanced Science and Technology

Citação: Equipe desenvolve uma nova estrutura para ultrassom de super-resolução (2023, 25 de maio) recuperado em 25 de maio de 2023 em https://medicalxpress.com/news/2023-05-team-framework-super-resolution-ultrasound.html

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