Otimização de algoritmo de redução de ruído para sistema de avaliação de fluxo sanguíneo em artéria coronária

Dissertação de mestrado, Engenharia Electrónica e Telecomunicações, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2017A ecografia assume-se como uma ferramenta de diagnóstico clínico de patologias cardiovasculares que utiliza as propriedades dos sinais de ultrassom Doppler. É frequentemente usada pelo facto de ser um meio económica, não invasiva e não ionizante. Os sinais de ultrassom Doppler são representados em forma de espectrograma o qual é afetado pela presença do ruído de tipo speckle, adicionando detalhes espúrios, afetando assim o contraste e o diagnóstico. Por isso, torna-se vital a pesquisa de metodologias de redução, e se possível, eliminação desse tipo de ruído. O objetivo desta tese de dissertação é desenvolver uma ferramenta computacional que possibilite a filtragem eficiente dos sinais Doppler de fluxo sanguíneo. As técnicas de filtragem abordadas nesta tese são a transformada de wavelet e a matching pursuit, em particular Batch-OMP, que vão ser comparadas com a técnica desenvolvida anteriormente sobre a mesma orientação denominada de NCTECH. A comparação destas técnicas é baseada na sua aplicação em sinais Doppler de fluxo sanguíneo simulados e em sinais Doppler de fluxo sanguíneo reais provenientes da artéria coronária. Para cada técnica foram testados vários tipos de parametrização para avaliar os que produziriam melhor desempenho. Aos sinais Doppler de ultrassom simulados foram adicionados vários níveis de ruído com o objetivo de possibilitar uma avaliação quantitativa do desempenho dos métodos de remoção de ruído, mediante o cálculo de métricas de qualidade. As métricas de qualidade consideradas foram as que permitiam quantificar a melhoria ocorrida ao nível da distorção do sinal, da preservação dos contornos e da melhoria do contraste. O sinal livre de ruído speckle foi usado como padrão de referência na comparação. Depois de inúmeros testes, verificou-se que o ruído speckle era reduzido em 34 dB a 11 dB conforme o nível de ruído era de 30 dB ou 5 dB respetivamente, quando o método de Batch-OMP era aplicado ao sinal. Estes valores de remoção de ruído são francamente melhores que os restantes métodos, em particular o NCTECH para o qual, perante os mesmos níveis de ruído se obtiveram remoções na gama de 32 dB a 9 dB. Nos casos onde não é possível garantir a origem nem a quantidade de ruído contido nos sinais, como é o caso dos sinais diretamente colhidos de pacientes, é usado como avaliador qualitativo a análise visual. A eficácia da metodologia de remoção de ruído desenvolvida e identificada com melhor performance na remoção de ruído de sinais simulados, foi validada em sinais clínicos de fluxo sanguíneo com origem em artéria descendente anterior e artéria marginal obtusa. Foi feita uma análise visual do espectro e, adicionalmente, do contorno do espectro após aplicação da referida metodologia. A metodologia proposta permitiu constatar a melhoria na nitidez do espectro e do contorno do espectro, proporcionando o melhor equilíbrio entre suavização e preservação da informação útil em comparação com as outras técnicas testadas. O algoritmo de remoção de ruído speckle proposto é constituído por três componentes: o pré-processamento; o Batch-OMP; e o pós-processamento. O pré-processamento consiste em criar o dicionário paramétrico de Gabor que contém ondas que se adaptam às estruturas locais do sinal e alem disso é calculado o valor do critério de paragem. A componente Batch-OMP consiste num algoritmo iterativo que calcula a representação esparsa do sinal usando o dicionário criado, permitindo assim obter o sinal aproximado livre de ruído. A parte do pós-processamento consiste em aproximar o sinal pós aplicação do algoritmo Batch-OMP e o sinal de entrada