Z przyjemnością informujemy, że Rada Naukowa IPPT PAN nadała Damianowi Cacko stopień doktora w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych, w dyscyplinie informatyka techniczna i telekomunikacja. Obrona rozprawy doktorskiej pt. "Implementacja techniki elastografii fali ścinania w obrazowaniu ultradźwiękowym w urządzeniu typu point-of-care" odbyła się 19 kwietnia 2024 roku.
Doktorat Damiana Cacko był doktoratem zorientowanym na wdrożenie. Młody naukowiec studia doktoranckie odbył w IPPT PAN, a partnerem przemysłowym jego doktoratu była firma us4us. Promotorem doktoratu był prof. Zbigniew Ranachowski, a promotorem pomocniczym dr Marcin Lewandowski.
Implementacja techniki elastografii fali ścinania w obrazowaniu ultradźwiękowym w urządzeniu typu point-of-care
Ocena sztywności tkanek jest narzędziem wczesnego wykrywania i diagnozowania chorób, takich jak rak piersi lub zwłóknienie wątroby. Spośród wszystkich metod obrazowania właściwości sprężystych tkanek opartych na ultrasonografii, elastografia fali ścinania (ang.: shear wave elastography, SWE) stała się obiecującą techniką umożliwiającą zarówno jakościowe, jak i ilościowe obrazowanie sztywności obszarów tkankowych. Przez ostatnie dwie dekady nowatorskie koncepcje i podejścia metodologiczne w elastografii fali ścinania były przedmiotem intensywnych badań. Praktyczna implementacja tej techniki jest przedsięwzięciem złożonym ze względu na szereg wyzwań inżynieryjnych, zwłaszcza konieczność transmisji impulsów wysokiej energii (ang.: push pulses) potrzebnych do generacji akustycznej siły promieniowania (and.: acoustic radiation force) i bardzo szybkiej akwizycji danych. Kolejną komplikację stanowi znaczna złożoność obliczeniowa algorytmu rekonstrukcji obrazu oraz potrzeba operacji na dużych zbiorach danych. W szczególności do realizacji obrazowania w czasie rzeczywistym, oprócz zapewnienia wystarczających zasobów obliczeniowych, wymagane jest uważne zaprojektowanie potoku przetwarzania danych ze względu na ograniczenia czasowe. Z powodu wyżej wymienionych przyczyn, do chwili obecnej technika dwuwymiarowej elastografii fali ścinania jest dostępna tylko na zaawansowanych komercyjnych systemach klinicznych lub możliwa do realizacji na nielicznych, kosztownych platformach badawczych. Ponadto technika ta nie została jak dotąd opracowana w klasie przenośnych urządzeń ultrasonograficznych (ang.: point-of-care). W rezultacie dostępność tej metody jest ograniczona.
W niniejszej pracy zaprezentowano wyniki prac projektowo-konstrukcyjnych i badawczych ukierunkowanych na rozwiązanie powyższego problemu. W części teoretycznej pracy omówiono podstawy fizyczne techniki SWE oraz dokonano przeglądu znanych metod ultradźwiękowego obrazowania właściwości sprężystych tkanek. Następnie szczegółowo omówiono poszczególne aspekty techniki dwuwymiarowej elastografii fali ścinania, w tym: stosowane sekwencje nadawczo-odbiorcze, metody przetwarzania danych, czynniki wpływające na jakość obrazowania oraz kwestie bezpieczeństwa badania. W części praktycznej pracy metoda ta została zaimplementowana za pomocą przenośnego, zoptymalizowanego pod kątem niskiego kosztu jednostkowego i w pełni konfigurowalnego systemu obrazowania ultradźwiękowego do zastosowań badawczych. Dla zapewnienia możliwości generacji wysokoenergetycznych impulsów nadawczych system ten rozszerzono o specjalnie zaprojektowany, 256-kanałowy moduł nadawczy. W obrębie warstwy oprogramowania opracowano wieloetapowy algorytm rekonstrukcji obrazu składający się z: filtracji danych RF, demodulacji, kształtowanie wiązki odbiorczej (ang. receive beamforming), detekcji fali ścinania, filtracji danych dotyczących ruchu fal poprzecznych, estymacji przestrzennego rozkładu prędkości grupowej fali ścinania i przetwarzania końcowego. Wydajność obliczeniową pozwalającą zrealizować obrazowanie w czasie rzeczywistym osiągnięto przez dekompozycję problemu obliczeniowego na potrzeby przetwarzania równoległego oraz użycie procesora graficznego (GPU) do akceleracji intensywnych obliczeniowo kroków algorytmu rekonstrukcji obrazu. W części badawczej pracy działanie opracowanego systemu zweryfikowano w szeregu eksperymentów wykorzystujących zarówno jednorodne, jak i niejednorodne obszary fantomu elastograficznego oraz wyznaczono miary jakościowe uzyskiwanych obrazów. Ponadto oceniono wydajność systemu pod kątem szybkości rekonstrukcji obrazu, a także zbadano wpływ najistotniejszych parametrów rekonstrukcji na czas przetwarzania i jakość obrazowania. Na przykładzie opracowanego systemu pokazano, że obliczeniowy proces rekonstrukcji obrazu wnosi największy wkład w całkowite zużycie energii systemu. Na podstawie uzyskanych wyników rozważono związki między zużyciem energii a jakością obrazowania. Pozwoliło to wysnuć ogólne wnioski pomocne w znalezieniu kompromisu między tymi czynnikami w kontekście efektywnej implementacji metody dwuwymiarowej elastografii fali ścinania w urządzeniach przenośnych.
Ogół wyników uzyskanych w niniejszej pracy pokazał, że implementacja w czasie rzeczywistym złożonej techniki obrazowania, jaką jest ultradźwiękowa elastografia fali ścinania, jest możliwa z użyciem systemu obrazowania klasy point-of-care.
Ilustracja 1: Ogólna metodologia rekonstrukcji dwuwymiarowych map sztywności tkanki w technice elastografii fali ścinania
Ilustracja 2: System obrazowania ultradźwiękowego us4R-lite (us4us sp. z o.o.), z użyciem którego zaimplementowano omawianą metodę obrazowania.
Ilustracja 3: Autor pracy
