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A Physics-Based Image Modelling of IVUS as a Geometric and Kinematics System

by Rosales Ramírez, Misael Darío

Abstract (Summary)
El uso de imágenes de UltraSonidoIntraVascular (IVUS) para la extracción de información cuantitativa sirve de gran ayuda en el diagnóstico y tratamiento de vasos arteroscleróticos. En la actualidad, esta clase de análisis es realizado por los médicos en forma semi-empírica, sin tomar en cuenta los principios que rigen la generación de la imagen, de la misma manera que tampoco se toma en cuenta la evolución temporal de la pared del vaso. Este hecho empobrece el uso de esta técnica, debido a que el análisis y la interpretación de las imágenes se basa sólo en los valores de los niveles de gris y en el comportamiento morfo-geométrico estático de la pared del vaso. Tomando en cuenta esta carencia técnica y conceptual, hemos dividido esta tesis doctoral en cuatro vías de investigación: La primera, está referida al trabajo experimental, que tiene como objetivo justificar nuestras hipótesis principales. En segundo lugar, hemos desarrollado e implementado un modelo básico de simulación con el propósito de obtener datos IVUS en forma sintética. En tercer lugar, hemos desa-rrollado una nueva metodología general que nos permite estimar desde el punto de vista del catéter el comportamiento cinemático de la pared del vaso y finalmente hemos propuesto un modelo genérico que permite obtener la reconstrucción geométrica del vaso en 2.5D. El trabajo experimental fue hecho con corazones de cerdo y de ternera, enfocándose principalmente a estudiar la micro-arquitectura de la pared del vaso y su modificación geométrica debido a parámetros externos. Hemos analizado por separado y desde el punto de vista de imágenes IVUS, la evolución morpho-geométrica de la pared del vaso en los cortes longitudinales, debido a la presión pulsátil radial y a una rotación externa inducida al corazón de experimentación. El análisis dinámico realizado fue extrapolado a una muestra de 30 casos clínicos llevados a cabo por el Laboratorio de Hemodinámica del Hospital Universitari Germans Tries i Pujol de Badalona-España en cooperación con Boston Scientific-USA. En lo que se refiere al modelo de simulación para obtener data IVUS 2D, está basado en los principios básicos de transmisión y recepción de ondas de sonido de alta frecuencia, al penetrar éstas radialmente una estructura arterial simulada. Hemos hecho una validación extensiva, comparando imágenes simuladas y reales, contrastando con la opinión de expertos quienes han delineado manualmente la configuración real de las capas del vaso. Para este propósito, definimos procedimientos que permiten extraer parámetros cuantitativos para medir similitudes globales y locales en las imágenes obtenidas. El modelo tiene diferentes utilidades. Primero, expertos médicos, así como investigadores en el área de visión, pueden generar imágenes simuladas con el objetivo de observar diferentes estructuras arteriales de interés clínico y compararlas con la distribución de niveles de gris en imágenes reales. Segundo, investigadores y médicos pueden usar nuestro modelo para aprender y comparar la influencia de los diferentes parámetros físicos en la formación de imágenes IVUS. En tercer lugar, este modelo puede servir para generar grandes bases de datos sintéticas bajo diferentes condiciones y parámetros de adquisición, para ser usadas en la validación de la robustez de técnicas de procesamiento de imágenes. La tercera área de investigación que hemos abordado en esta tesis doctoral, ha sido el desarrollo de un modelo geométrico y cinemático, que tiene como propósito estudiar la evolución de la pared de las arterias coronarias desde el punto de vista del catéter. El modelo está basado en resultados experimentales los cuales demuestran que la evolución de la pared arterial en una secuencia de IVUS, puede ser modelada asumiendo dos contribuciones principales, que provienen de diferentes razones físicas: la primera contribución, es causada por propiedades geométricas intrínsecas de la arteria y la segunda contribución proviene de la dinámica oscilante del ventrículo. Estas contribuciones gobiernan en mayor grado la apariencia de los perfiles de la pared arterial en las vistas longitudinales. Usando estas afirmaciones, hemos generado las estrategias metodológicas con el propósito de estimar y suprimir las distorsiones dinámicas de las secuencias de IVUS. La nueva formulación conceptual nos permite separar las contribuciones geométricas que dependen de la arquitectura intrínseca de la pared del vaso de las contribuciones dinámicas procedentes del movimiento del corazón. Finalmente, y dado que esta separacion es posible, hemos generado las bases fundamentales para la reconstrucción 2.5D del vaso desde el punto de vista del catéter, solamente haciendo uso de datos de IVUS. Esta metodología también podría usarse como una técnica alternativa que permite estimar la dinámica del corazón dado que el modelo contiene en forma explícita los parámetros necesarios para cuantificarla. En este sentido, se provee en esta tesis de una nueva posibilidad que permite potenciar la técnica IVUS como herramienta de exploración y de diagnóstico médico.
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Bibliographical Information:

Advisor:Radeva Ivanova, Petia

School:Universitat Autónoma de Barcelona

School Location:Spain

Source Type:Master's Thesis

Keywords:401 departament d informatica

ISBN:

Date of Publication:07/01/2005

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