Shadowing artifacts in real-time ultrasound simulation: a low-cost approach

Nowadays, medical ultrasound is a common use, but complex diagnosis technique. As a matter of facts, training well-prepared physicians in this field is quite hard, not only for the intrinsic difficulty of organizing training sessions with expert personnel, but also for the amount of possible differences in the generated images from a patient to another. This thesis tries to design a solution to mitigate this longtime problem, by proposing a low-cost and real-time ultrasound simulator. More in details, starting from a CT scan dataset, which are abundant in the medical field, and after a preparation phase of the dataset, the modified CT scan is passed to the ultrasound simulator, which is able to generate realistic ultrasound images of the body portion scanned with the CT. Unluckily, the high cost of ultrasound simulators is not the only problematic of the so- lutions available on the market; another critical point is the very restricted number of real-time simulators able to simulate ultrasound artifacts, which are the most difficult part of an ultrasound image to interpret. As a matter of facts, one of the objective of this research is to create a simulator capable of generating realistic images with the artifacts typical of medical ultrasound, in a realistic simulation environment. Specifically, the de- signed product focuses on the generation of shadowing artifacts caused by the anaechoic tissues of the body. The simulated images were also compared with the ones of another product on the mar- ket by a group of physicians, some of them with a lot of experience in the field, receiving positive assessments. Moreover, the performance of the simulator was also compared with the same real-time simulator previously cited, validating the real-time constraint of the software.

Al giorno d’oggi, l’esame ecografico è una tecnica diagnostica di uso comune, ma che con- tinua a nascondere delle insidie nella sua esecuzione. Infatti, formare nel modo migliore dei medici in grado di svolgere correttamente questo tipo di esame non è cosa semplice; non soltanto per l’intrinseca difficoltà nell’organizzare sessioni di formazione con personale esperto, ma soprattutto per le differenze intrinseche che si riscontrano svolgendo lo stesso esame tra un soggetto ed un altro. Questa tesi cerca di trovare una soluzione a questo annoso problema, proponendo come soluzione un simulatore ecografico che sia low-cost e che funzioni in real-time. In partico- lare, partendo dalle immagini TAC, facilmente reperibili in ambito medico, e dopo averle adeguatamente preparate; è possibile inserire le immagini TAC all’interno del software di simulazione, generando una simulazione ecografica realistica relativa alla specifica parte del corpo precedentemente scansionata. L’elevato costo dei simulatori ecografici disponibili sul mercato non è l’unica problematica di questi prodotti. Infatti, un altro punto critico è il ristretto numero di questi prodotti capaci di simulare in real-time gli artefatti tipici di questa tipologia di tecnica diagnostica, che la rendono, come già anticipato, di difficile interpretazione. Questa tesi si pone tra gli obiettivi quello di creare un simulatore in grado di generare immagini realistiche che includano anche gli artefatti ecografici; il tutto in un ambiente di simulazione il più realistico possibile. In particolare, il software si concentra sugli artefatti in ombra generati dai tessuti anecoici. Le immagini generate sono state comparate con quelle di un prodotto rivale da un gruppo di medici, alcuni di loro con diversi anni di esperienza nel settore, ricevendo ottimi pareri. Inoltre, le performance del simulatore sono state comparate con quelle del prodotto rivale sopracitato, confermando la capacità di simulare immagini in real-time.