Suivi de Speckle en ligne dans les images ultrasonores pour le contrôle de la main prothétique | par Lohit Kapoor | avr, 2021

Introduction

Génération d’images ultrasonores
L’imagerie par ultrasons est un moyen non invasif et rentable d’obtenir des informations sur la santé.adans les images internes pour les applications médicales et le diagnostic de la santé humaine. La génération d’images à partir d’ondes ultrasonores comprend trois étapes : la production d’ondes sonores par un transducteur piézoélectrique, la réception des échos et la formation de l’image. De fortes et courtes impulsions électriques provenant de l’appareil à ultrasons font sonner le transducteur à la fréquence souhaitée, qui peut être comprise entre 2 et 18 MHz. La focalisation du son est ensuite assurée par la forme du transducteur, la lentille située devant le transducteur ou un ensemble complexe d’impulsions de contrôle provenant de l’appareil à ultrasons (également appelé formation de faisceau), qui produit une onde sonore en forme d’arc à partir de la face du transducteur. L’onde pénètre dans le corps et se concentre à la profondeur souhaitée. Les ondes sonores partiellement réfléchies font vibrer le transducteur ; le transducteur transforme ensuite les vibrations en impulsions électriques qui sont transmises à l’échographe où elles sont traitées et transformées en image numérique. L’échographe détermine d’abord le temps que met l’écho à être reçu à partir du moment où le son est émis, puis la force de l’écho. L’onde sonore n’est pas un clic, mais une impulsion de fréquence porteuse spécifique. Les objets en mouvement modifient cette fréquence par réflexion, de sorte que ce n’est qu’une question d’électronique pour obtenir une échographie Doppler simultanée. Une fois que l’échographie
l’échographe détermine ces trois éléments, il peut localiser quel pixel de l’image doit être éclairé, à quelle intensité et à quelle teinte si la fréquence est traitée.

Pourquoi les ultrasons pour le contrôle des prothèses ?
Lorsque les membres sont blessés ou amputés, les signaux biologiques du corps restent intacts à des degrés divers (Stegman, Djurickovic, &amp ; Dechev). Les chercheurs ont obtenu et utilisé ces signaux biologiques de diverses manières afin de contrôler les prothèses des membres. Cependant, de nombreuses techniques de prothèses électriques, telles que celles contrôlées par l’électromyographie de surface, ne peuvent être utilisées.
(EMG) ont une fonctionnalité limitée pour obtenir des signaux indépendants en raison de la diaphonie des capteurs et de la résolution spatiale. (Stegman, Djurickovic, &amp ; Dechev). Par conséquent, ces prothèses de main électriques conventionnelles ont des degrés de liberté motorisés limités. Une nouvelle et meilleure méthode non électrique pour collecter les biosignaux d’une personne blessée ou amputée consiste à mesurer le déplacement du tendon, à proximité du poignet, à partir des séquences d’images ultrasonores du tendon du FDS dans la région du poignet. (Stegman, Djurickovic, &amp ; Dechev). “La mesure du mouvement des tendons présente une solution pour mesurer l’intention/le désir d’une personne de bouger les doigts de sa main, puisque les tendons sont attachés à des articulations interphalangiennes et métacarpophalangiennes individuelles dans les doigts. Ainsi, la mesure des déplacements de plusieurs tendons dans les images ultrasonores nous donne plusieurs signaux indépendants pour contrôler les prothèses de main à plusieurs degrés de liberté. (Stegman, Djurickovic, &amp ; Dechev).” En outre, par rapport à d’autres modalités d’imagerie, l’échographie est rentable, plus sûre et très portable à utiliser.

Imagerie ultrasonore B-Scan et suivi de taches (Speckle Tracking)
Les images ultrasonores B-Scan sont produites comme une vue en coupe transversale bidimensionnelle des organes internes du corps. L’onde sonore réfléchie, lors de la génération d’images ultrasonores B-Scan, subit des interférences constructives et destructives et une texture mouchetée est obtenue sur les images qui contiennent des informations sur la sous-structure du tissu sous-jacent. (Stegman, Djurickovic, &amp ; Dechev). Bien que le chatoiement soit souvent considéré comme un artefact ou un bruit en
Bien que le chatoiement soit souvent considéré comme un artefact ou un bruit dans l’imagerie ultrasonore conventionnelle, il fournit une signature pour le suivi précis du mouvement. Les diffuseurs acoustiques produisant les mouchetures se déplacent avec le tissu en mouvement, et conduisent donc à des mouchetures mobiles qui peuvent être suivies. Cette propriété a déjà été exploitée pour estimer le mouvement dans un large éventail d’applications, notamment l’échocardiographie et l’imagerie de l’élasticité. (Jacob, Lehnert-LeHouillier, Bora, McAleavey, Dalecki, &amp ; McDonough, 2008)..

“Le suivi du chatoiement par ultrasons fait appel à des techniques de mise en correspondance de blocs dans lesquelles une zone d’une image modèle (noyau) est comparée aux images suivantes à l’aide d’une mesure de similarité. Parmi les exemples de mesures de similarité, on peut citer la somme des différences absolues (SAD) et une technique bayésienne comme celle de Rayleigh (ou Fisher-Tippett). Le succès du suivi du speckle dépend toutefois fortement de paramètres tels que la fréquence d’images du système à ultrasons, la fréquence du transducteur, la mesure de similarité choisie, la vitesse du tissu, la taille du modèle (noyau) et la région de recherche, etc. (Stegman, Djurickovic, &amp ; Dechev).”

Description du programme

Le schéma fonctionnel et le panneau avant du programme, illustrés à la figure 3, suivent le mouvement du tendon à travers des séquences d’images, et calculent et affichent les déplacements delta x et delta z (dans chaque coordonnée) du tendon pour toutes les séquences d’images consécutives. Ce programme traduit le code de suivi de tendon existant de Matlab en une plateforme LabView pour une mise en œuvre sur FPGA. Ce programme utilise les fonctions du module de développement de vision LabVIEW de NI telles que les fonctions ‘IMAQ AVI Open’, ‘IMAQ AVI Read Frame’, ‘IMAQ Create’ et ‘IMAQ Dispose’ et ‘IMAQ Image to Array’ pour ouvrir et lire les images de l’enregistrement vidéo, la création d’un emplacement de mémoire temporaire pour chaque image et la destruction de l’image après son analyse afin de libérer l’espace occupé pour l’image suivante à lire et à analyser, et l’extraction des valeurs de pixel liées au “modèle” et aux “boîtes temporaires” des séquences d’images dans des tableaux 2D qui sont ensuite comparés pour la correspondance. Dans chaque itération de la boucle while, deux images consécutives sont lues et la correspondance modèle-tempbox est effectuée. Ce processus est répété pour toutes les images de manière séquentielle. Le programme utilise la méthode SAD (Sum of Absolute Differences) comme mesure de similarité pour faire correspondre la boîte à température avec le modèle. Tout d’abord, chaque tableau de boîtes à température dans le ROI de la deuxième image de chaque itération de la boucle est soustrait du modèle de la première image de la même itération de la boucle, ensuite, la somme des absolus des valeurs de pixel du résultat de la soustraction pour chaque tempbox est calculée (chaque valeur résultante est la valeur SAD pour chaque tempbox et est collectée, en utilisant l’auto-indexation, dans un tableau nommé ‘SAD’) et ensuite la tempbox avec la valeur ‘SAD’ minimale est calculée (en utilisant la fonction ‘Array Max and Min’) dans chaque image.
Il s’agit en fait de la boîte à température la mieux adaptée au modèle correspondant dans la trame précédente. Les coordonnées de la boîte à température correspondant à la valeur SAD minimale sont également obtenues à l’aide de la fonction ‘Array Max and Min’ à chaque itération de la boucle et sont comparées aux coordonnées du gabarit pour obtenir les déplacements delta x et delta z du tendon à travers toutes les comparaisons d’images consécutives. Ces informations sont ensuite enregistrées dans Excel sous forme de
.csv en utilisant ‘Write to Spreadsheet File.vi’.

Partie droite du schéma fonctionnel

Partie gauche du schéma fonctionnel

Partie droite du panneau avant

Partie gauche du panneau avant

Déplacements des tendons (delta x et delta z) parmi les cadres allant du 150e au 160e :

Conclusion

Merci de l’intérêt que vous portez à ce blog. Veuillez laisser vos commentaires, réactions et suggestions si vous en ressentez.

Code complet sur mon repo GitHub ici.

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