Medición del espesor de las capas íntima-media de la arteria carótida, usando la señal de radiofrecuencia de ultrasonido

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En estudios clínicos recientes se ha encontrado que las enfermedades cardiovasculares y cerebrovasculares poseen índices muy elevados de mortalidad, incluso mayores que las causas de muerte por cáncer y enfermedades respiratorias. Por lo general, estas enfermedades se producen debido a factores como el tabaquismo y el sedentarismo que generan formación de depósitos de colesterol y otras sustancias a lo largo de las capas internas de la arteria, las cuales llegan a formar placas que hacen aumentar el espesor íntima-media, disminuyen
la luz arterial y producen una reducción en el flujo de sangre a los órganos vitales. Una forma de diagnóstico
no invasivo de la enfermedad ateroesclerótica y de eventos cardiovasculares o cerebrovasculares es la medición del espesor íntima-media de la arteria carótida (EIM) [@Chain]
en tal sentido, el presente artículo muestra
los resultados de un proyecto de investigación en el cual se mide este espesor a partir de la señal de radiofrecuencia de ultrasonido mediante el uso de herramientas de adquisición, procesamiento y análisis de señales.
Publicado el : sábado, 01 de enero de 2011
Lectura(s) : 74
Fuente : El Hombre y La Maquina 0121-0777 (2011) Num. 37
Número de páginas: 8
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Medición del espesor de las
capas íntima-media de la
arteria carótida, usando la
señal de radiofrecuencia de
ultrasonido
1JOHN JIMÉNEZ GÓMEZ
2JAIME ANDRÉS NARVÁEZ ORTEGA
3EMANUEL ALEJANDRO ROSERO
Resumen
En estudios clínicos recientes
se ha encontrado que las en-
fermedades cardiovasculares y
cerebrovasculares poseen índices
muy elevados de mortalidad, in-
cluso mayores que las causas de
muerte por cáncer y enfermeda-
des respiratorias. Por lo general,
estas enfermedades se producen
debido a factores como el taba-
quismo y el sedentarismo que
generan formación de depósitos
de colesterol y otras sustancias a
lo largo de las capas internas de la
arteria, las cuales llegan a formar
placas que hacen aumentar el es-
pesor íntima-media, disminuyen
la luz arterial y producen una
los órganos vitales.
Una forma de diagnóstico
no invasivo de la enfermedad
ateroesclerótica y de eventos
cardiovasculares o cerebrovascu-
lares es la medición del espesor
1
2 Bioingeniero, Universidad Santiago de Cali, Cali, Colombia. j.andres575@hotmail.com
96
](UVyQRP\EU&D3RURIHHV-RU)%LDUHFOXODWXVDROGGHD0iTXL,QJHLQLHHOUtLDF8QQL?YHUVQHL#GDFG6GXFDHQWOLQD1R?DXOJRGHGD&DQLOQJHO+L&ROL&DJRGHOG6LGXF&ROLRPHELHDMXMMGHLVPHELDRLHQLDUR8KRWYHDLORPDQW)DKDUHOH&DLL6RPSWDHOEUHMQGUR#)PFLGHFFSWHFDGHyQFWSFyQHLGHPHEU?PHHKDLDFHLR'FL2FDXEUHQJUHMedición del espesor de las capas íntima-media de la arteria carótida,
usando la señal de radiofrecuencia de ultrasonido
Introducción
íntima-media de la arteria caró-
Uno de los principales métodos -
de diagnóstico para enfermedades tido, el presente artículo muestra
vasculares es el ultrasonido (US), los resultados de un proyecto de
el cual es un método no invasivo investigación en el cual se mide
y seguro que constituye una gran este espesor a partir de la señal
herramienta de visualización de de radiofrecuencia de ultrasonido
imágenes médicas. En la práctica mediante el uso de herramientas
el diagnóstico por ultrasonido de la de adquisición, procesamiento y
enfermedad ateroesclerótica a partir análisis de señales.
del espesor intimo-medial se realiza
Palabras clave: Ultrasonido, utilizando el modo B mediante la
adquisición de datos, procesa- ubicación de dos cursores sobre
miento digital de señales. la imagen en los sitios donde se
encuentran las distancias a medir
Abstract
Cardiovascular diseases are la exactitud en la medición está dada
the leading cause of disability por el profesional de la salud con
and death generated in the world. un criterio en el que intervienen el
Recent clinical studies have found grado de conocimiento, la experien-
that cardiovascular and cerebro- cia y la instrumentación utilizada.
vascular diseases have very high
mortality rates, even higher than exactitud en la medición del es-
the causes of death from cancer pesor intimo-medial se emplea la
and respiratory diseases. In ge- información contenida en la señal
neral, these diseases occur due de radiofrecuencia de la máquina
to factors such as smoking and de ultrasonido con el uso de herra-
physical inactivity generating mientas de adquisición de datos y
deposits of cholesterol and other procesamiento digital de señales.
substances along the inner layers
Fisiología y enfermedades de la of the artery, which come to form
arteria carótidaplaques that increase the thickness
close media, reducing the arterial Las arterias carótidas que se
lumen and causing a reduction in encuentran a nivel del cuello, son
una de las principales arterias en-
cargadas de la perfusión sanguínea A form of non-invasive diag-
de importantes órganos en cabeza nosis of atherosclerotic disease
y cuello, están compuestas por tres and cardiovascular or cerebro-
capas: interna o íntima, intermedia vascular events is the measu-
o túnica media y la externa o túnica rement of intima-media thick-
adventicia. La Figura 1 muestra las ness of carotid artery (IMT) [@
capas que conforman las arterias
carótidas.presents the results of a project
research in which this thickness La túnica íntima es una estruc-
is measured from the ultrasound tura relativamente frágil, debido
radio frequency signal through
the use of tools for acquisition, delgada de la arteria. Se compone de
processing and analyzing signals. epitelio escamoso simple, llamado
endotelio, una membrana basal Key words: Ultrasound,
y una capa de tejido elástico. En data acquisition, digital signal
condiciones normales el endotelio processing.
reviste todo el sistema cardiovascu-
97
iLLQ@RUDLWQDW?KDHWO\DPHWDRHV$QDODDV(Q@JDHUWO]VUYiU1DQGUpZPGDE?XHV*RQHPRKQ-&KDQ>#ORPHH&KDOPQD1R?MXOUR'DFHQEUJGDR(OWYVRHQVRHRWOKLDVVHSDSHSHRUUV&RQH?OVP?SDQFGHDIDHFLDOQLWLDUO,0LGHWSHDPULHLGLH-VD0iTXL\GEUH+(O-DLpD]UyPW]H-ULLHD$VDHG2HH?HPVQXHWDOMIQGUR5RVRURUMedición del espesor de las capas íntima-media de la arteria carótida,
usando la señal de radiofrecuencia de ultrasonido
músculo liso, y la del óxido nítrico
es la vasodilatación arterial, este
último se libera como respuesta a
las fuerzas de rozamiento causadas
-
telio, se difunde hacia las capas de
músculo liso y causa la distensión
de las arterias.
El proceso arteriosclerótico
impide que el endotelio realice su
función normal, debido a la acumu-
lación de residuos grasos y adhesión
de plaquetas en las capas internas
de la arteria. Por esta razón el es-
pesor intima-media carotideo se
considera un indicador del proceso Figura 1. Capas de las arterias carótidas [@Faciasweb].
de arterioesclerosis, su medición y
seguimiento permite que esta pa-
lar y es el único tejido que tiene con- tología se pueda detectar a tiempo
tacto con la sangre que circula por [@Chain].
la luz o espacio interno de la arteria
La túnica media es una capa de [@Faciasweb]. El endotelio tiene
aspecto compacto y de espesor re-por función producir sustancias
gular, -muy importantes entre las cuales se
lo liso dispuestas en anillo alrededor encuentran la endotelina y el óxido
de la luz de la arteria. Debido a estas nítrico (NO). La función de la en-
dotelina es la vasoconstricción del
distensibles ante los cambios de
presión. La capa adventicia, la más
externa de la arteria, se compone
[@
Faciasweb].
Al producirse la enfermedad
de las arterias carótidas puede oca-
sionar consecuencias graves por la
reducción de oxígeno y nutrientes
se interrumpe la perfusión, incluso
de forma breve, pueden causarse
serios daños al cerebro debido a
la disminución en el volumen de
sangre, produciendo hipoxia que
conlleva que las células cerebrales
comiencen a morir en pocos mi-
puede desencadenarse un accidente
cerebrovascular [@NYP]. La Figu-
ra 2 ilustra una arteria normal y una
con estrechamiento de su luz por
acumulación de placa ateroscleró-
tica en su pared interna.Figura 2.
98
OVDWUiDSRXMEQGR--LVp?]HyPV]/-?LQHHP$+VHDVHH2~H?UWPURVQXHLQHOFMVQGUR5RVHURHXRHLV\URQDDWDQOHFViHVUFSQH3GRGHULROVVDLFODQ1HVWHVURHWWXQHODR?TSRUXHHLDLUD0iTXLEUH(OVV?ULXUWMRDVDLLVVOEUDRXUVEPH\UtHHFRURFOVDDHHRHUFJHQLD\GLVPQXFDyQGHO?RVDQJXtYR>#H+O%,@ODLHVXOTDDQEJXQVLQDJHHiOROQFR\QJXtVVXMDFHLWGHVEUiHOFHR'XOVQD1R?EUDO?HRPGHOX\PRPRKQ-FPQHH*QWHH?LDFPX?VQGUpR1OUYiR]QWUWHJDL(PDKDOF$UHHWDVHHQMedición del espesor de las capas íntima-media de la arteria carótida,
usando la señal de radiofrecuencia de ultrasonido
Componentes y descripción del
sistema utilizado. utilizada para el desarrollo del pro-
Por ser una técnica no invasiva
En la herramienta desarrollada y a su vez no nociva para la salud,
se utilizó el lenguaje de programa-el ultrasonido se convierte en una
herramienta ideal para el estudio
de adquisición de datos NI PCI 5112 del sistema vascular. El sistema
de National Instruments, con la cual empleado cuenta con un equipo de
se capturan los datos de la señal de ultrasonido, compuesto de una má-
RF proveniente de la exploración quina de ultrasonido la cual permite
la selección de diferentes modos de
asegurar que la señal capturada es visualización de imagen (B, M) con
la apropiada fue necesario tener una terminales de salida BNC en las que
imagen clara de la arteria en modo están presentes la señales de radio-
B en la pantalla del televisor. La frecuencia (RF), Pulse Repetition
Figura 4 muestra la fotografía de Frecuency (PRF) y End Of Frame
la imagen del televisor en la que se (EOF), de las cuales solo se adquie-
observa en escala de grises la pared re la señal de RF ya que contiene la
anterior y posterior de la arteria.información “original” (sin ninguna
clase de tratamiento de señal) de la Con la imagen nítida de la
arteria en estudio, y un transductor arteria se cambia el tipo de visuali-
zación de la máquina de ultrasonido
una frecuencia central de 7,5 MHz. a modo M, ya que la arteria se en-
Figura 3
Figura 4. Imagen en modo B de la arteria carótida.
99
MDP/-FDWVHUMDDWP+DLOUD\JOQR@:P,(E9FD/L\DHFH?JUiVyQOLDFOR>0GHLQUL?UROHHV&RQDGDHLLUyWLDD0iTXL2EUH(D$WDD)IRUPJXUDDXWXHLWOLD]SODUUHGDRSD\HUDWORUHDQHDFGTXLDV?LQXHFOLQGUR5RVyQ\SURF\HVVODWPULLHGHQWORGHVGHHEUxDHOFR'-XOLQD1R?pO]HyPRP]O-LHRKQ-VP>0QHRUH*QR@HRUP?DDPFRQQGUpD1IUYiW]DUW3JDO(GHDOO$DHDDHUWHMedición del espesor de las capas íntima-media de la arteria carótida,
usando la señal de radiofrecuencia de ultrasonido
cuentra en movimiento y el modo Para facilitar el análisis se seg-
M es una técnica ideal para estos mentó la señal de RF para eliminar
casos debido a que el haz ultrasóni- la información innecesaria, dejando
co se dispara a lo largo de un punto solamente el eco de la pared ante-
continuamente y permite enfocar la rior de la arteria que se utilizó para
medición a lo largo de una misma realizar la medición del EIM.
línea de barrido. La Figura 5 revela
Cálculo del ancho de bandala visualización en la pantalla del
televisor de los modos B y M.
se limita el ancho de banda (BW)
al mínimo posible, con lo cual se
logra aumentar la relación señal
se adoptó lo establecido [Standars
01] [Hedrick 05], donde se calcula
a partir de la densidad espectral de
potencia de un eco delimitado de
como la caída de 6 dB a cada lado
de la frecuencia central. La Figura 7
muestra el espectro de potencia del
eco y las frecuencias de corte para
dicha caída. La Tabla 1 detalla la
información referente al ancho de Figura 5. Imagen en modos B y M de la arteria carótida.
banda obtenido.
Una vez se cumple todo lo
Tabla 1. Respuesta en frecuencia del
anterior, se utiliza el programa de transductor de 7.5 MHz utilizado.
captura de datos para adquirir las
Frecuencia
Parámetroseñales de RF correspondientes a la (MHz)
exploración de la arteria. La Figura Frecuencia central del trans-
7.56 muestra la señal de RF en una sola ductor
línea de barrido en la que se observa Frecuencia inferior 5.52
Frecuencia superior 9.01
Ancho de bandala arteria carótida.
Figura 6. Señal de RF de ultrasonido completa.
Figura 7. Espectro de potencia del eco delimitado
100
HH?2XHL?PQXLQXHHEUODMQGUR5RVURGL&RQLDD0iTXL-(LD%:6HGVGRGRHQLP?GHGHOiPVL$-H\W+LO-]UyPS]P5O5DRLUHU?UXLHO[LUyQLGHVOQDHSDUHGHGEUDHQWFHR'ULXORUQD1R?GHOHRPiOFHRKQ-OpQHO*FHX?ODRPGQGUpH1OUYi]%UW:JD(XQDDOV$XSHHU?DFHLHMedición del espesor de las capas íntima-media de la arteria carótida,
usando la señal de radiofrecuencia de ultrasonido
Preprocesamiento de la señal de
radiofrecuencia
Para obtener la información de
los ecos correspondientes a las pare-
des arteriales fue necesario el diseño
se consigue aumentar la RSR dentro
Figura 8
debido a sus características de fase
lineal y exactitud en la reconstruc-
El filtro que mostró los mejores
resultados fue de orden 200, acorde
con las frecuencias de corte halladas
muestra la señal segmentada con la
Figura 9
Con el fin de obtener la en-
volvente de la señal, en la cual se
desean detectar las indicaciones
relevantes asociadas a las paredes
de la arteria, a la señal de salida
completa (Ec. 1) implementada con
la ayuda de la transformada Hilbert
[@Jiménez] [Victoria 06].
)
Figura 10. Señal segmentada donde se observan los ecos correspondientes a las capas de la arteria.Donde:
h(n)es la transformada Hilbert
sólo a los picos de la señal relacio-de x(n)
nados con los ecos de interés (Ad-
) [Ec. 1] venticia, Media e Íntima), donde se
obtienen los tiempos de vuelo entre Para la implementación del
los ecos mediante el uso de detec-
tores de pico y se calcula el espesor
intimo-medial carotideo utilizando
la ecuación 2.presentó un mejor desempeño, con
una frecuencia de corte de 5 MHz. V.t
La Figura 9 muestra la envolvente
[Ec. 2]
de la señal asociada a las paredes
de la arteria después de aplicar el
Donde d es el espesor del teji-
do, t es el tiempo de vuelo y V es
Procesamiento de señales la velocidad del sonido en el tejido
biológico donde se realiza la prue-
la Figura 9 se realiza una nueva ba, la cual es de 1540 m/s para el
segmentación (Figura 10), limitada tejido humano.
101
WDURSDVHDQED?MHDxDO?-xDOLGp>]yPEU]F-LMHF$FVFDHO2HL?POQXHLFOVMFQGUR5RVDURFTXHQGDSDEDDVLURSDWWO<?UOVyQGHLLRFDpFULSOODRVJXUDGHLL)D0iTXLD(/HRUGDULLHQWVDOUVUDSOHGHQXPODQHWHOSO@F+F6yQ,.H$I2KQ5Q

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