Encontro Nacional de Ciência Fundação Calouste Gulbenkian, Jul/2009 Tomografia por indução magnética, imagiologia biomédica por medida de impedância sem contacto Raul Carneiro Martins António Cruz Serra José Bioucas Dias Nuno Bandeira Brás © 2005, it - instituto de telecomunicações. Todos os direitos reservados. Tomografia por Indução Magnética Estrutura da apresentação Princípio de funcionamento Instrumentação desenvolvida o o o Fonte do campo Geometria do problema Medida do campo Método de medida o o o Formulação do problema directo Formulação do problema inverso Reconstrução de imagem Aplicações médicas Resultados experimentais Vectores de desenvolvimento Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 2 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Princípio de funcionamento Percepção intuitiva Excitação Distância (cm) Medida Distância (cm) Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 3 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – princípio de funcionamento Objectivo o Determinar mapa de impedâncias o o o o Resolução espacial Velocidade de varrimento rápida e ajustável Resposta em frequência ou variação temporal Sem contacto Processo o Excitação do campo magnético o o o Fonte única, fixa ou móvel Múltiplas fontes, fixas ou móveis Correntes induzidas o o Fontes locais de campo Dependentes da impedância dos tecidos o Permitem caracterizar o Condutividade, permeabilidade e permitividade Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 4 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – princípio de funcionamento Processo o Medida do campo resultante (excitação + correntes turbilhonares) o Bobine ou GMR, fixa ou móvel o Bobines e/ou GMRs, fixas ou móveis o Extracção do sinal das fontes locais (sobreposto à fonte de estímulo) o Reconstrução da imagem Virtudes do método o Determinação da condutividade complexa o Caracterização da impedância o o Medida da permitividade (ε), permeabilidade (μ) e condutividade (σ) Identificação de tecidos o Possibilidade de medida de fluxos o Capacidade de penetrar em tecidos ósseos Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 5 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – princípio de funcionamento Limitações do método o Ainda numa fase embrionária de desenvolvimento o o o Resolução espacial limitada (~1 cm3) Processamento moroso Dimensões das amostras reduzidas Contexto internacional o Abordagens o Variação de condutividade (mais desenvolvido) o Fraco requerimento em resolução espacial e discriminação celular bem como reconstrução de imagem menos refinada, mas requer resposta rápida o o o o Detecção de edemas, cerebrais e pulmonares Monitorização de excesso de ferro (Hemocromatose) Acidentes vasculares, classificação e diagnóstico Imagiologia de tecidos (mais atrasado) o Requerimento de elevada resolução espacial e boa discriminação de tecidos o Reconstrução de imagem fina o Identificação e localização de neoplasias Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 6 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Instrumentação desenvolvida Excitação o Sinusoidal, monotónica (1 MHz, 2 A) o o Estacionário, zona próxima do campo Bobine singular, fixa Geometria o o o Diferencial, circular Amostras condutoras desequilibram simetria Projecção tomográfica o o Variação de 360° no plano de corte Posicionamento arbitrário do plano na direcção ortogonal Medida do campo o o Quatro pares de bobines em anti-série Bobines móveis o o o Ângulos relativos fixos, 45° Ângulos absolutos móveis com resolução de posicionamento de 1,6” Blindagem do campo eléctrico Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 7 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Protótipo experimental Fotografia e esquema do protótipo construído Excitação Blindagem Pares de bobines em anti-série Material do protótipo: POM Prato da amostra Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 8 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Método de medida Formulação do problema o Problema directo o É um problema de determinação do campo produzido pelas correntes turbilhonares (eddy) num espaço 3-D não confinado o Formulação com base no escalar potencial eléctrico ϕ, e no vector potencial magnético , em que descreve o campo da excitação, calculado a partir da Lei de Biot-Savart, garantindo-se . o Condições de fronteira homogéneas de Dirichlet, . é o vector potencial magnético reduzido, resultante das correntes turbilhonares. o Equações diferenciais parciais – formulação do campo, o O problema directo é utilizado na resolução iterativa do problema inverso o É numericamente implementado recorrendo a técnica de integração finita (FIT) utilizando formas diferenciais de ordem 0, 1 e 2 Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 9 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian Erro relativo (%) Formulação do problema directo 2º nível Localização da esfera 1º nível direcção z (cm) TIM – Método de medida 3º nível Bobine de excitação Simulador numérico do problema directo no contexto do TIM com bobines de excitação (cinzento) e medida (preto). a) Esfera centrada. b) Esfera deslocada para a direita 1 cm a) Discretização espacial optimizada. b) Discretização espacial clássica. Representação para uma bobine e a esfera Bobine Excitação Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 10 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian f.e.m (V) Bobine Medida direcção x (cm) TIM – Método de medida Formulação do problema o Problema inverso (reconstrução) o o o Encontrar o mapa de condutividade complexa a partir das f.e.m.(s) medidas É um problema não linear, mal definido e cujo problema directo é mal condicionado Consiste na estimação de parâmetros em equações diferenciais parciais Optimização não linear Instrumentação electrónica Medida, Processamento de Sinal e Controlo Regularização Electromagnetismo aplicado o Simulação numérica 3-D em que é um funcional de medida, são os campos, as fontes e as medidas, com um funcional de regularização. A é o problema directo. Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 11 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Método de medida Reconstrução de imagem o Foram implementadas duas abordagens, ambas iterativas, para a optimização não linear o Uma tradicional, de Gauss-Newton (por substituição, com o o o o o ) A função de custo é aproximada pelos dois primeiros termos da série de Taylor Necessita da determinação parcial da matriz Hessiana da função de custo, Convergência quadrática , em que é o gradiente da função de custo e um coeficiente de amortecimento Outra, nova em formulações de correntes turbilhonares, consiste na determinação iterativa do ponto de cela do Lagrangiano aumentado, para a condutividade e para o campo, expresso por Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 12 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Método de medida Reconstrução de imagem o Regularização o o Em ambos os métodos foi utilizada para regularização a variação total Resultados numéricos dos dois métodos de reconstrução Gauss-Newton Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 13 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian Lagrangiano aumentado TIM – Método de medida Reconstrução de imagem o Comparação de desempenho segundo 2 binómios o o Erro relativo / número de iterações Erro relativo / tempo de cálculo Iterações Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 14 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Aplicações médicas Aplicações médicas em início de investigação o Caracterização fisiológica do coração o Medida do fluxo intracavitário o Medida da variação do volume de cada cavidade o Variação temporal do volume arterial o Medida da pressão arterial o o Avaliação da hipótese de medida indirecta sem contacto Caracterização fisiológica da bexiga o Medida do volume o Análise temporal do volume Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 15 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Resultados experimentais Métricas de desempenho o Uma métrica comum para estes dispositivos é o SCR o o o o o Signal to Carrier Ratio Indicador do nível mais baixo de sinal que se pode extrair para uma determinada intensidade do campo de excitação Para tecidos biológicos o SCR deve ser da ordem de 10-9 Os resultados experimentais publicados estão em 10-7 Ensaios preliminares ainda não publicados colocam o nosso SCR experimental em 10-8. Comp. Comp. Corrent e Comp. Sinal SCR Amplitude (nV) 3294 532 79 710- Fase (m°) 164 4,1 1,4 Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 16 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian 7 TIM – Resultados experimentais Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 17 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian TIM – Vectores de desenvolvimento Principais direcções de desenvolvimento o Análise 3½-D (inclusão do tempo) o o o o Fontes simultâneas o o o Processamento de imagem (Fronteiras externas) Ultrasons (Fronteiras internas) Paralelização da solução numérica o o GMRs e Fluxgates Determinação das fronteiras (informação a priori) o o Coerência espacial e temporal Sensores de campo magnético o o Reformulação do problema directo Reformulação do problema inverso Estímulos impulsivos Núcleos de unidades de processamento gráfico (GPUs) Desenvolvimento de agares tridimensionais Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 18 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian Tomografia por Indução Magnética Obrigado Encontro Nacional de Ciência – Ciência 2009 19 | Jul/2009, Fundação Calouste Gulbenkian