Sviluppo e validazione di un sistema di acquisizione di segnali ecografici RF per la misura dello spessore del muscolo diaframmatico

The diaphragm is a respiratory muscle. Its contraction, lowering the diaphragmatic dome, in synergy with raising the chest by the inspiratory muscles, causes the expansion of the thoracic cavity and the lungs drawing air within air ways during inspiration. Is evident how this muscle had an important and insistotituibile work during the respiratory act, indispensable mechanism for human life. Know and study diaphragm, in particular is thickness is very important both in respiratory physiology and physiopathology (De Bruin et al, 1997; Enright et al, 2004; Enright et al, 2006; Gottesman et al, 1997; McCool et al, 1997; Pinete et al, 2003). For example in physiology is really interesting evaluate the relationship between diaphragm thickness and lungs volumes. In physiopathology however, is of considerable interest to assess this relationship in different lung diseases (for example BPCO, pulmonary fibrosis, asthma) and neuromuscular diseases (for example muscular dystrophy, SLA). There are many methods aimed at quantifying the thickness of the diaphragm which are based on very different physical principles: it uses techniques that use ionizing radiation (radiography, fluoroscopy, computed tomography), techniques involving the use of magnetic fields (MRI) (Iwasawa et al, 2002), techniques using sensors such as gastro-esophageal balloons and estimate, measuring the pressure that the diaphragm muscle develops, the force developed and finally electromyographic techniques that quantify and associated muscle contraction with a value of thickness. Ultrasonography, although it too has distinct limitations, provides an alternative; diaphragm thickness, configuration and displacement can be evaluated without the use of ionizing radiation, non invasively, continuously, and with a device that is relatively portable and can be applied to subjects in a variety of postures. To identify and determine the diaphragm thickness in echography it is used a special acoustic window positioned between the ninth and tenth rib on the right side of the chest. This window allows to identify pleural and peritoneal boundary demarcating diaphragm and then to measure the thickness by ultrasound image. There are also different approach to measure diaphragm thickness using ultrasound image. In particular there are several research groups that advocate the use of B-mode and others that make use of the M-Mode. In both cases the measure of the thickness of the diaphragm is made directly on the echographic image that is, how we demonstrate in this thesis, for its nature imprecise because of the dependence from the resolution of the image and from the operator ability. An alternative is to use directly the ultrasound signal generated by the ultrasound beam that crosses the encountered body tissues with different acoustic impedance by generating so-called echo ultrasound (Eco signal). The Eco signal is inherently richer in information because it hasn’t had the destructive elaboration of envelope, signal required for screen viewing, and has within it a series of peaks representing the various anatomical structures subsequently used to define the distances between the various structures. Basically we want to detach from the direct ultrasound image and to appeal to Eco-monodimensional signal, without elaboration, that generated it. So it will be necessary the develop of a system that can first acquire the Echo signal and send it to a computer and subsequently a software that receive the digital signal and elaborate it to get the measure of diaphragm thickness. The thesis is based initially on developing hardware and software architecture that can provide the information that we need and secondarily their careful analysis allows us to quantify the results. The goal that pushed us in this direction thus concerns the development of an automated and more accurate of the ultrasound image that is able to acquire RF Eco signal and send it to a PC that, once received, through a specific algorithm, will quantify the thickness of the diaphragm. When we talk about signal Eco refers to a particular window ultrasound can provide a signal where the peaks relative of the anatomical structures of our interest appear and in particular the diaphragm. The first phase of the dissertation has required the development of a specific acquisition system, called HErmes, which was able to acquire a signal with frequency on the order of 7.5 MHz: this design constraint, dictated by the frequency of the echo signal, requires a sampling frequency at least 16 MHz. The acquisition system made, as discussed below, is unique in its characteristics and there isn’t a similar product on the market capable of performing the same task. More specifically the device is able to provide streaming data to the computer, that is continuously and in real time. The acquisition system performs at full capacity all the features that have been delegated then identifying it as one of the key issues of this thesis. The purpose of the acquisition system is to receive the Eco signal input, convert it into a digital signal and send it via USB channel to the PC. Major issues addressed included the design of electronic devices in terms of functionality with high frequency, in particular, having to do with a signal at radio frequency has been necessary to use a range of high performance electronic components to ensure a efficient analog-front end, an appropriate analog to digital conversion and a sending data FIFO to the PC via USB 2.0 that can handle the enormous amount of data. The second part of the work required the development of a set of software that can receive and process the echo signal acquired. As regards the software for receiving the signal, programs that can capture and save data from the high frequency acquisition system (Hermes) to be further analyzed later have been developed in LabVIEW. Note that the echograph sends ultrasonic pulses and receiving echoes at a frequency of 1 kHz but acquiring a continuous signal stream, it was necessary to implement an algorithm that could cut the signal in windows to divide in singles frames corresponding to the single stimulation of the probe’s piezoelectric. Once in possession of the window corresponding to the echoes of a single stimulation it has been processing by an automatic algorithm for the measure of the thickness of the diaphragm. This algorithm identifies the echoes corresponding to the diaphragm and calculates the distance. The third part of the thesis consist to perform a series of tests to verify the effective functioning of the HErmes device and to validate the ability to measure the thickness of the diaphragm by Eco signal. The first set of tests concern the testing of the acquisition board, in particular its functional blocks like analog front-end, analog to digital conversion and send data to PC. The second set of tests concern the measure of the thickness diaphragm starting by the use of Eco signal from Hermes. The first test of this second set of tests was made on a phantom (know geometry) to test the accuracy and precision of the measurement signal directly to Eco. Were subsequently conducted two more tests on five subjects at different lung volumes in which occurred respectively the ability to measure the thickness of the diaphragm through manual selection of the RF signal peaks and through automatic measurement algorithm. As will be shown below have been used also the ultrasound image on which the measures were taken for comparison with the other two methods mentioned to show how the image gives the result in terms of inaccurate and highly operator dependent. The fourth part of this thesis reports the results achieved during the tests and their statistical and qualitative analysis. The results regarding the testing of the acquisition system shows how Hermes works in the manner defined in the project phase. About the test for the ability to measure the thickness of the diaphragm we have achieved interesting results: the first test on phantom established that the measure taken directly from echoes is correct and the error committed falls within the range of manufacturing tolerances of the phantom. The other two tests showed that the measurement of thickness of the diaphragm through manual selection of the peaks and through automatic algorithm are comparable with each other and both more accurate than that obtained by ultrasound image that has always overestimate the thickness of the diaphragm. Again, the measured value depends directly from the lung volume at which you are and that the measurements show no systematic error. The thesis is divided into four chapters: The first introductory chapter recalls the basis for the realization of the dissertation such as the principles of ultrasonography, ultrasound techniques, the internal structure of an A-mode echograph, the anatomy of the diaphragm and the relationships between anatomical structure and echoes of the diaphragm. It is also exposed what is now the state of the art regarding the study and measure of the thickness of the diaphragm with ultrasound. The paragraph relating to the purpose of our thesis closes the introductory chapter. The second chapter concerns the design and implementation of high-frequency acquisition system HErmes. It addresses the problem initially by analyzing the signals of interest involved and then going on to describe the electronic hardware design (front-end analog, analog to digital conversion and data transmission to PC) and software necessary for the operation of the acquisition card. The third chapter describes the four tests. The first one related to the acquisition card and the other 3 on the ability to measure the thickness of the diaphragm using ultrasound signal. The description of each objective shows, experimental setup, software and protocol implemented. The fourth chapter presents the results through qualitative analysis and statistics. Using charts and graphs will be showed the basic data obtained from the execution of the tests. Finally, conclusions of our dissertation are presented showing the limits encountered and proposing future developments with the aim of improving the system so far developed.

Il diaframma è un muscolo respiratorio. La sua contrazione, abbassando la cupola diaframmatica, causa, in sinergia con l’innalzamento del torace operata dai muscoli inspiratori, l'espansione della cavità toracica e dei polmoni in modo da richiamare aria nelle vie aeree durante l'inspirazione. E’ quindi evidente come questo muscolo abbia un compito essenziale ed insostituibile durante l’atto respiratorio che è, per sua natura, meccanismo indispensabile alla vita dell’uomo. Conoscere e studiare il diaframma ed in particolare il suo spessore riveste notevole importanza sia in fisiologia che in fisiopatologia respiratoria (De Bruin et al, 1997; Enright et al, 2004; Enright et al, 2006; Gottesman et al, 1997; McCool et al, 1997; Pinete et al, 2003). A titolo di esempio, in ambito fisiologico è di estremo interesse valutare la relazione che intercorre tra lo spessore del diaframma (indice del suo livello di contrazione ed accorciamento) ed il volume polmonare. In ambito fisiopatologico invece, è di notevole interesse valutare tale relazione in diverse malattie polmonari (ad esempio BPCO, fibrosi polmonare, asma) e neuromuscolari (ad esempio distrofia muscolare, SLA). Esistono molte metodiche volte alla quantificazione dello spessore del diaframma che si basano su principi fisici altamente differenti: si ricorre a tecniche che fanno uso di radiazioni ionizzanti (radiografie, fluoroscopie, tomografia computerizzata), tecniche che ricorrono all’uso di campi magnetici (MRI) (Iwasawa et al, 2002), tecniche che utilizzano sensori quali palloncini gastro-esofagei e stimano, misurando la pressione che il muscolo diaframma sviluppa, la forza sviluppata ed infine tecniche elettromiografiche che quantificano ed associano la contrazione del muscolo ad un valore di spessore. L’ultrasonografia, sebbene presenti alcuni limiti, risulta essere una valida alternativa a queste metodiche che molto spesso risultano essere invasive ed espongono il soggetto a radiazioni ionizzanti. Per identificare il diaframma e determinarne lo spessore in ecografia si fa ricorso ad una particolare finestra acustica posizionata tra la nona e la decima costa sulla parte destra della gabbia toracica. Questa finestra permette di identificare il contorno pleurico e peritoneale che delimitano il diaframma e quindi di misurarne lo spessore mediante immagine ecografica. Anche nel contesto ecografico esistono tuttavia differenti approcci nel misurare lo spessore del diaframma. In particolare ci sono diversi gruppi di ricerca che sostengono l’uso del B-Mode ed altri che invece fanno ricorso al M-Mode. In entrambi i casi si tratta di effettuare delle misure direttamente su immagine ecografica che, come dimostreremo in questo lavoro di tesi, è per sua natura imprecisa in quanto altamente dipendente dalla risoluzione dell’immagine ricostruita e dall’operatore che interpreta il risultato. Una valida alternativa all’uso dell’immagine è quella di utilizzare direttamente il segnale ecografico generato dal fascio ultrasonico che, attraversando l’organismo, incontra tessuti a differente impedenza acustica generando i cosiddetti eco ecografici (segnale Eco). Il segnale Eco è per sua natura più ricco di informazioni in quanto non ha ancora subito l’elaborazione distruttiva di inviluppo, segnale necessario per la visualizzazione su schermo, e possiede al suo interno una serie di picchi rappresentativi delle varie strutture anatomiche, utilizzati successivamente per definire le distanze tra le varie strutture. In sostanza vogliamo distaccarci dall’uso diretto dell’immagine ecografica e far ricorso al segnale Eco monodimensionale, privo di elaborazioni, che l’ha generata. Sarà quindi necessario lo sviluppo di un sistema che sia in grado in prima istanza di acquisire il segnale Eco ed inviarlo al calcolatore e successivamente un software che riceva il segnale digitalizzato e lo elabori in maniera tale da estrapolarne un valore di misura dello spessore del diaframma. Il lavoro di tesi si basa inizialmente sullo sviluppo di un’architettura hardware e software in grado di fornirci i dati di cui abbiamo bisogno ed in seconda battuta ci permetta una loro accurata analisi per quantificarne i risultati. L’obiettivo da raggiungere che ci ha spinto in questa direzione riguarda quindi lo sviluppo di un sistema automatizzato e più preciso dell’immagine ecografica che sia in grado di acquisire il segnale Eco RF ed inviarlo ad un PC che, una volta ricevuto, provvederà attraverso uno specifico algoritmo al suo trattamento per quantificare lo spessore del diaframma. Quando si parla di segnale Eco si fa riferimento ad una particolare finestra ecografica in grado di fornirci un segnale in cui compaiano i picchi delle strutture anatomiche di nostro interesse ed in particolare il diaframma. La prima fase del lavoro di tesi ha richiesto lo sviluppo di uno specifico acquisitore, chiamato HErmes, che fosse in grado di acquisire un segnale con frequenza sull’ordine dei 7.5 MHz: questo vincolo progettuale dettato dalla frequenza del segnale Eco impone una frequenza di campionamento di almeno 16 MHz. L’acquisitore realizzato, come si vedrà in seguito, è unico nelle sue caratteristiche e non esiste sul mercato un prodotto analogo in grado di svolgere il medesimo compito. Più in dettaglio il dispositivo è in grado di fornire dati in streaming al calcolatore, cioè in continuazione ed in tempo reale. L’acquisitore espleta a pieno regime tutte le funzionalità che gli sono state deputate identificandolo quindi come uno dei nodi centrali di questo lavoro di tesi. Lo scopo dell’acquisitore è quello di ricevere il segnale Eco in ingresso, convertirlo in un segnale digitale ed inviarlo tramite il canale USB al PC. Le maggiori problematiche affrontate hanno riguardato la progettazione elettronica del dispositivo in termini di funzionalità ad elevata frequenza, in particolare, avendo a che fare con un segnale a radio frequenza è stato necessario utilizzare una serie di componenti elettronici ad altissime prestazioni che potessero garantirci un’efficiente Front-End analogico, una conversione analogico digitale appropriata ed un sistema di invio dati FIFO al PC tramite USB 2.0 in grado di gestire l’enorme quantità di dati; si noti infatti come dovendo campionare un segnale ad altissima frequenza i campioni da inviare siano numericamente significativi sull’ordine di MB al secondo. La seconda parte del lavoro ha richiesto lo sviluppo di una serie di software in grado di ricevere e trattare il segnale Eco acquisito. Per quanto riguarda i software per la ricezione del segnale, sono stati sviluppati in ambiente LABView programmi in grado di acquisire e salvare i dati provenienti dall’acquisitore ad alta frequenza (HErmes) in modo da essere poi analizzati successivamente. Da notare che l’ecografo manda impulsi ultrasonici e riceve gli echi ad una frequenza di 1 kHz ma acquisendo un segnale in streaming continuo, è stato necessario implementare un ulteriore algoritmo che fosse in grado di finestrare il segnale in modo da suddividerlo nei singoli frame corrispondenti alla singola stimolazione dei piezoelettrici della sonda. Una volta in possesso della finestra corrispondente agli echi di una singola stimolazione, essa è stata analizzata attraverso un algoritmo di misura automatica dello spessore del diaframma. Questo algoritmo identifica gli echi corrispondenti al diaframma e ne calcola la distanza. La terza parte consiste nell’effettuare una serie di prove sperimentali per accertare il corretto funzionamento del dispositivo HErmes e per validare la capacità di misura dello spessore del diaframma tramite segnale Eco. Il primo set di prove riguarda il testing della scheda di acquisizione, in particolare i blocchi funzionali di front-end analogico, conversione analogico-digitale ed invio dati al PC. Il secondo set di prove riguarda la misura dello spessore del diaframma a partire dal segnale Eco proveniente da HErmes. Inizialmente è stata effettuata una prima prova su un phantom (di geometria nota) in modo da testare l’effettiva correttezza e precisione della misura direttamente su segnale Eco. Successivamente sono state svolte altre due prove su 5 soggetti a diversi volumi polmonari in cui si verificava rispettivamente la capacità di misura dello spessore del diaframma tramite selezione manuale dei picchi sul segnale RF e tramite algoritmo automatico di misura. Come verrà mostrato in seguito si è ricorso anche all’uso dell’immagine ecografica su cui sono state fatte delle misure a scopo comparativo con le altre due metodiche citate al fine di dimostrare come l’immagine dia il risultato in termini di misura più impreciso ed altamente dipendente dall’operatore. La quarta parte di questa tesi riporta i risultati conseguiti durante le prove sperimentali ed una loro analisi qualitativa e statistica. I risultati per quanto riguarda il testing della scheda mostrano come HErmes lavori effettivamente secondo le modalità definite in fase di progetto. Per quanto riguarda invece i test relativi alla capacità di misura dello spessore del diaframma si sono conseguiti risultati interessanti: il primo test su phantom ha accertato come la misura presa direttamente su segnale Eco sia corretta e l’errore commesso ricada all’interno dell’intervallo di tolleranza costruttiva del phantom. Le altre due prove hanno mostrato come la misura di spessore del diaframma tramite selezione manuale dei picchi e tramite algoritmo di calcolo automatico siano assimilabili tra loro ed entrambe più corrette di quella ricavata dall’immagine ecografica che presenta sempre una sovrastima dello spessore del diaframma. Si nota inoltre come il valore misurato dipenda direttamente dal volume polmonare al quale ci si trova e che le misure effettuate non presentino alcun tipo di errore sistematico. Il lavoro di tesi effettuato getta le basi per importanti sviluppi futuri quali la realizzazione di un sistema in grado di monitorare real-time le variazioni di spessore del diaframma. Infatti i limiti riscontrati hanno riguardato principalmente la generazione del segnale da parte dell’ecografo che è risultato poco ripetibile ed estremamente rumoroso. A tal proposito si suggerisce la realizzazione di una sonda di stimolazione ecografica ad hoc con un monocristallo di diametro maggiore rispetto a quelli utilizzati nelle normali sonde in modo da poter acquisire in una singola scansione gli echi provenienti da una superficie maggiore. La tesi si articola su 4 capitoli: Il primo capitolo di introduzione richiama le basi necessarie per la realizzazione del lavoro di tesi quali i principi dell’ultrasonografia, le tecniche ecografiche, la struttura interna di un ecotomografo A-Mode, l’anatomia del diaframma e le relazioni tra struttura anatomica e segnale Eco del diaframma. Inoltre viene esposto quale sia ad oggi lo stato dell’arte per quanto riguarda lo studio e la misura dello spessore del diaframma tramite ecografia. Il paragrafo relativo allo scopo della nostra tesi chiude il capitolo introduttivo. Il secondo capitolo riguarda la progettazione e realizzazione della scheda di acquisizione ad alta frequenza HErmes. Si affronta il problema inizialmente attraverso l’analisi dei segnali di interesse coinvolti per poi passare alla descrizione della progettazione dell’hardware elettronico (Front-End analogico, conversione analogico digitale ed invio dati al PC) e del software necessario per il funzionamento della scheda di acquisizione. Il terzo capitolo descrive le 4 prove di testing effettuate. La prima riguardante la scheda di acquisizione e le altre 3 riguardanti la capacità di misura dello spessore del diaframma tramite segnale ecografico. La descrizione di ognuna di esse mostra obiettivo, setup sperimentale, software implementati e protocollo. Il quarto capitolo presenta i risultati attraverso analisi qualitative e statistiche. Servendosi di tabelle e grafici si mostreranno i dati principali conseguiti dallo svolgimento delle prove sperimentali. Si presentano infine le conclusioni al lavoro di tesi svolto mostrandone i limiti incontrati e proponendo degli sviluppi futuri col fine di migliorare il sistema fin qui sviluppato.