ESTUDO COMPARATIVO DE TRÊS TIPOS DE PÓ DE GRAFITE PARA CONFECÇÃO DE PHANTOMS SIMULADORES DE TECIDO MAMÁRIO

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1 ESTUDO COMPARATIVO DE TRÊS TIPOS DE PÓ DE GRAFITE PARA CONFECÇÃO DE PHANTOMS SIMULADORES DE TECIDO MAMÁRIO I. M. Carvalho *, C. M. Borba *, M. E. P. Chalco *, J. F. S. Costa Júnior *, M. A. von Krüger *, A. F. C. Infantosi *, W. C. A. Pereira * *Programa de Engenharia Biomédica/COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil isabelamiller@gmail.com Abstract: Ultrasound (US) phantoms are commonlly used to simulate human soft tissues that mimic their features and can be applied in professional medical training, equipment calibration and studies of image quality. The aim of this work was to study the behavior of three types of graphite powder and evaluate their potential in the manufacture of breast phantoms. For that purpose, 12 phantoms were produced using a mixture of polyvinyl chlorideplastisol (PVCP) with three different kinds of graphite powder in a range of concentrations. Some of the images obtained were visually compatible to real breast ultrasound features. These results, together with their acoustic propagation parameters (speed of sound and attenuation), indicate that some of the phantoms developed in this study have similar characteristics of adult female breast. Palavras-chave: phantom, ultrassom, mama, pó de grafite. Introdução Ao se tratar da utilização do ultrassom (US) na área médica, quer seja em diagnóstico, terapia, treinamento de profissionais ou ainda no ensino de técnicas ultrassonográficas, torna-se fundamental a existência de corpos de provas, denominados phantoms ultrassônicos, com formas anatômicas e parâmetros acústicos médios semelhantes àquelas dos tecidos humanos [1]. Com estes phantoms pode-se, inclusive, realizar calibração de equipamentos de ultrassonografia e estudar a qualidade da imagem [2]. s de mama são desenvolvidos com vistas a mimetizar o tecido mamário. Devido às variações anatômicas individuais da mama, como tamanho, forma e densidade do parênquima, estes phantoms são geralmente confeccionados para representar somente algumas características anatômicas típicas como, por exemplo, tecidos glandular e adiposo, cistos e lesões em diferentes formas e tamanho etc [3]. Para a confecção de um phantom são necessários conhecimentos de vários campos, o que torna o trabalho tecnicamente complexo. A anatomia do órgão a ser mimetizado deve estar correta em relação aos detalhes que serão visualizados pelo equipamento de US. Os parâmetros acústicos do tecido devem ser bem 1 conhecidos (velocidade de propagação e atenuação). Também é necessário o conhecimento das propriedades físico-químicas dos materiais que serão utilizados na metodologia de desenvolvimento. Os componentes selecionados devem dar estabilidade e durabilidade ao phantom, bem como o domínio de técnicas de confecção que serão aplicadas para se obter formas e contornos necessários para a modelagem. A utilização do pó de grafite como material espalhador em phantoms ultrassônicos já é bem relatada na literatura científica [4,5]. Este material é descrito como uma substância complementar que permite alcançar tanto valores de atenuação próximos aos de tecidos biológicos, quanto à possibilidade de gerar imagens com níveis de granulação semelhantes aos observados em imagens reais de mama. No entanto, existe uma grande variedade de grafites comerciais utilizados em pesquisa, cada qual com uma estrutura e nível de pureza diferente [6]. O presente trabalho tem por objetivo estudar o comportamento de três tipos de pó de grafite disponíveis no laboratório, a fim de investigar a possibilidade de sua utilização na produção de phantoms simuladores de tecido mamário. Materiais e Métodos A metodologia adotada no trabalho consistiu-se de três etapas: (i) confecção dos phantoms; (ii) medição das propriedades acústicas; (iii) obtenção das imagens por US. A matéria prima básica utilizada neste trabalho para a construção dos phantoms é um plástico não-tóxico normalmente utilizado na confecção de iscas de pesca e denominado PVCP (M-F Manufacturing Co., Fort Worth, TX, USA). Trata-se de uma solução opaca de monômeros que se polimeriza e torna-se translúcida quando aquecida a altas temperaturas. Três tipos de pó de grafite foram testados como material complementar, com função de proporcionar o espalhamento e ajustar a atenuação de onda. São eles: (i) B'HERZOG (malha 140); (ii) Micrograff HC11 e (iii) Micrograff HC30. Confecção do phantom Para mimetizar o parênquima mamário, a mistura de PVCP e de cada tipo de pó de grafite foi preparada nas concentrações 0,1;

2 0,5; 1,0 e 2,0%, determinadas empiricamente. Em seguida, colocou-se o composto em bomba a vácuo, por aproximadamente 30 minutos, para a redução de bolhas de ar. A mistura foi aquecida até aproximadamente 180ºC, sendo continuamente mexida até que o líquido ficasse viscoso para, então, ser colocado no molde. O resfriamento da amostra foi feito lentamente, até entrar em equilíbrio térmico com o ambiente. Cada phantom foi construído com geometria retangular contendo 3,9 cm de altura, 4,7 cm de largura e 2,1 cm de espessura em um molde de alumínio, conforme ilustrado na Figura 1. velocidade da onda longitudinal. Para o cálculo do coeficiente de atenuação, usou-se o valor máximo do módulo da FFT (Fast Fourier Transform) dos sinais de referência e do phantom. Os valores esperados da velocidade longitudinal e do coeficiente de atenuação são apresentados, neste trabalho, com suas respectivas incertezas expandidas. Figura 1: Imagem fotográfica do molde de alumínio e do phantom. Medição das propriedades acústicas Empregouse o método transmissão-recepção para adquirir os sinais ultrassônicos da propagação da onda longitudinal na água e nos phantoms. Os estudos destes sinais permitiram estimar os parâmetros acústicos dos phantoms desenvolvidos. A configuração experimental (Figura 2) consistiu basicamente em um transdutor ultrassônico T I S (Harisonic, Waltham, MA, EUA), excitado por um sinal produzido pelo gerador de funções AFG 3021 (Tektronix Inc., Beaverton, OR, EUA); um transdutor R (T I S) de mesma frequência central para coletar os sinais transmitidos por T; um osciloscópio DSO 6032A (Agilent Technologies, CA, USA) com memória de 1 kbyte e frequência de amostragem de 50 MSa s -1, para exibir os sinais detectados por R; um termômetro digital (Fluke; Everett, WA, EUA) e um microcomputador para armazenar os dados via osciloscópio. Além disso, usouse um programa de aquisição de sinais desenvolvido em Labview (National Instruments; Austin, Texas, EUA) para armazenar os dados e um programa de processamento de sinais ultrassônicos implementado em Matlab (Mathworks; Natick, MA, EUA). Inicialmente configurou-se o gerador para produzir o sinal de excitação com frequência central de 1 MHz, 4 Vpico-a-pico (Vpp), 5 ciclos e período de repetição de pulsos de 10 ms. Na etapa seguinte, coletou-se o sinal de referência (sinal do ultrassom propagando-se na água, sem a presença do phantom) e mediu-se a temperatura da água. Posteriormente, o phantom foi posicionado entre os transdutores e o sinal transmitido foi adquirido. O procedimento de aquisição de sinais e medição da temperatura foi realizado mais 9 vezes. Realizou-se correlação cruzada entre os sinais de referência e do phantom, para se obter o atraso temporal entre esses sinais, o qual foi utilizado na estimativa da Figura 2: Montagem experimental utilizada na aquisição dos sinais para a estimação das propriedades acústicas dos phantoms confeccionados. Aquisição de imagens As imagens dos phantoms foram adquiridas em um equipamento médico de ultrassom modo-b comercial modelo SonixMDP, Ultrasonix (Figura 3a), com um transdutor linear (Figura 3b) operando em frequência fundamental de 10 MHz (típica para exames de mama). Para cada phantom foi coletada uma imagem. Figura 3: (a) Equipamento de ultrassom modo-b utilizado na aquisição de imagens dos phantoms; (b) transdutor linear. Resultados Um total de 12 phantoms foi confeccionado (ph1 a ph12). Os valores de velocidade de propagação (V) e coeficiente de atenuação () dos phantoms produzidos em diferentes concentrações, para os três tipos de pó de grafite são mostrados nas tabelas 1, 2 e 3 a seguir. Os valores em parênteses representam a incerteza expandida para garantia da qualidade dos resultados

3 Tabela 1: Valores das propriedades acústicas velocidade de propagação (V) e coeficiente de atenuação () a 1 MHz dos phantoms produzidos com grafite B'HERZOG. ph1 0,1 1390,9(3,8) 4,30(0,17) ph2 0,5 1375,4(4,8) 2,03(0,22) ph3 1,0 1379,3(4,9) 1,19(0,12) ph4 2,0 1387,7(4,9) 0,35(0,06) Tabela 2: Valores das propriedades acústicas velocidade de propagação (V) e coeficiente de atenuação () a 1 MHz dos phantoms produzidos com grafite Micrograff HC11. ph5 0,1 1388,6(5,4) 6,04(1,10) ph6 0,5 1377,0(5,0) 3,79(0,43) ph7 1,0 1370,1(4,3) 2,17(0,07) ph8 2,0 1380,8(4,0) 3,38(0,47) Tabela 3: Valores das propriedades acústicas velocidade de propagação (V) e coeficiente de atenuação () a 1MHz dos phantoms produzidos com grafite Microfraff HC30. ph9 0,1 1375,0(4,7) 6,19(0,64) ph10 0,5 1399,1(2,6) 2,54(0,13) ph11 1,0 1393,0(1,6) 1,60(0,15) ph12 2,0 1387,4(2,6) 2,61(0,39) As imagens ultrassonográficas obtidas para cada phantom podem ser visualizadas nas figuras a seguir. A Figura 4 corresponde às imagens dos phantoms produzidos com pó de grafite B HERZOG. As imagens obtidas para os phantoms confeccionados com pó de grafite Micrograff HC11 são mostradas na Figura 5. E, finalmente, na Figura 6, as imagens dos phantoms onde utilizou-se pó de grafite Micrograff HC30 podem ser vistas. Figura 4: Imagens ultrassonográficas dos phantoms de PVCP e pó de grafite B HERZOG: (A) ph1-0,1% de grafite; (B) ph2-0,5% de grafite; (C) ph3-1,0% de grafite e (D) ph4-2,0% de grafite. Figura 5: Imagens ultrassonográficas dos phantoms de PVCP e pó de grafite Micrograff HC11. (A) ph 5-0,1% de grafite; (B) ph6-0,5% de grafite; (C) ph7-1,0% de grafite; (D) ph8-2,0% de grafite. Discussão Este trabalho foi elaborado buscando dar continuidade aos estudos de Carvalho et. al [7], voltados à produção de phantoms ultrassônicos utilizando PVCP e pó de grafite para mimetizar tecido mamário. Diferentes tipos de grafite foram analisados a fim de conhecer seus efeitos nas propriedades acústicas e no padrão das imagens e, com isso, avaliar sua possível utilização na produção desses phantoms. No que se refere às propriedades acústicas, verificou-se que a velocidade de propagação de todos os corpos de prova produzidos neste trabalho apresentou valores entre 1370,1 (ph7) e 1399,1 (ph10) m.s -1, semelhantes aos descritos por Spirou et al. [8] e Maggi Figura 6: Imagens ultrassonográficas dos phantoms de PVCP e pó de grafite Micrograff HC30. (A) ph9-0,1% de grafite; (B) ph10-0,5% de grafite; (C) ph11-1,0% de grafite; (D) ph12-2,0% de grafite. et al. [9] em seus trabalhos utilizando PVCP (~1400 m.s -1 ). A adição de grafite não alterou significativamente a velocidade de propagação do material base, conforme relatado por Madsen et al. [1]. Apesar de próximos,

4 esses valores ainda são menores daqueles estimados para tecidos moles, cujo valor médio é de 1540 m.s -1 [10]. No entanto, esses podem ser futuramente alcançados pelo acréscimo de substâncias complementares, as quais, segundo a literatura, atuam unicamente na velocidade de propagação do corpo de prova [1]. Os valores do coeficiente de atenuação, por sua vez, apresentaram alterações significativas. A concentração e o tipo de pó de grafite contribuíram para a obtenção de uma faixa extensa de valores deste parâmetro (Tabelas 1, 2 e 3). Os resultados para os três grafites apresentaram um comportamento distinto ao descrito na literatura. Esperava-se que a atenuação do material fosse diretamente proporcional à concentração de grafite [1]. No entanto, observou-se uma inversão deste comportamento. A justificativa para esse efeito pode ser a influência das bolhas que são formadas no phantom durante a metodologia de preparo. Essas bolhas atuariam como um segundo agente espalhador, aparentemente mais eficiente, que influenciaria na atenuação do sinal. Observou-se também que parece existir uma relação entre a concentração de grafite no material e a susceptibilidade à formação de bolhas durante a produção do phantom. Esse comportamento também estaria relacionado ao tipo de pó de grafite utilizado. No caso dos dois grafites fornecidos pela Micrograff (HC11 e HC30) pôde-se perceber, a partir de uma avaliação em conjunto das imagens e dos parâmetros acústicos (atenuação), que concentrações menores de grafite facilitariam a formação de bolhas de ar e que estas seriam as principais responsáveis pela atenuação do sinal. Entretanto, conforme a quantidade de grafite aumenta, o aparecimento de bolhas torna-se menor e, a partir de então, a atenuação estaria diretamente relacionada à concentração de grafite no corpo de prova. As alterações na atenuação dos materiais, consequentemente influenciam no padrão da imagem, na medida em que provocam a diminuição progressiva dos brilhos desta, podendo comprometer sua aplicação na simulação do tecido. No que concerne às imagens adquiridas, nota-se que um mesmo protocolo de produção, utilizando pós de grafite diferentes foi capaz de gerar imagens com níveis de espalhamentos distintos. Além disso, pôde-se observar que o tipo de pó de grafite pode favorecer a produção de bolhas no material, o que também modificará o padrão da imagem. Tomando-se como exemplo as imagens das Figuras 4D, 5D e 6D, é possível perceber essas diferenças. Todas mostram imagens de phantoms produzidos com 2% de grafite, cada qual utilizando um tipo diferente. Enquanto, na figura 4D, observa-se um padrão isoecóico e homogêneo, na figura 5D a imagem caracteriza-se por apresentar regiões mais hiperecóicas distribuídas aleatoriamente, evidenciando a presença de bolhas no material. Já a figura 6D, apesar de mostrar um espalhamento semelhante ao observado na figura 4D, apresenta uma perda de ecogenicidade com o aumento da profundidade, indo de uma área mais ecóica na parte superior para outra menos ecóica, devido a alta atenuação do sinal. Essas diferenças nas imagens tornam-se cruciais na escolha do material que será empregado na confecção de um phantom mamário. O conhecimento do padrão de imagem esperado para determinado material a certa concentração, é importante, por exemplo, para evitar que uma lesão inserida no phantom para fins de treinamento seja mascarada. O aspecto visual dos phantoms ph3 e ph4, quando comparados a imagens reais de mama (Figura 7A), mostrou-se equivalente ao de uma mama adulta, apresentando uma textura nas imagens por US condizentes com a encontrada no tecido glandular mamário (Figura 7B e 7C). Figura 7: Comparação do padrão de imagem de dois phantoms com imagem real de mama. (A) imagem de US real de mama: (1) tecido adiposo subcutâneo, (2) tecido glandular, (3) tecido adiposo retromamário e (4) tecido muscular; (B) imagem de US do phantom ph3; (C) imagem de US do phantom ph4. As três imagens foram adquiridas por um especialista utilizando o mesmo equipamento de ultrassom, operando na frequência de 10 MHz. Conclusão Os resultados encontrados a partir dos parâmetros acústicos dos phantoms produzidos com diferentes pós de grafite na faixa de concentração adotada e suas imagens mostram que, de fato, o tipo de grafite influencia no resultado final. Desta forma, torna-se importante identificar o material que será empregado em protocolos de produção de phantoms que mimetizam tecidos biológicos. O entendimento de como cada um dos grafites atua nas propriedades acústicas do corpo de prova é importante para que não sejam cometidos erros experimentais. A avaliação paralela dos parâmetros acústicos e das imagens obtidas neste trabalho sugere que, seguindo a metodologia de preparo proposta, o melhor grafite a ser utilizado na produção de phantoms mamários é o fornecido pela B HERZOG. Os resultados mais satisfatórios para mimetizar tecidos moles foram os obtidos com os phantoms produzidos nas concentrações de 1% (ph3) e 2% (ph4), os quais apresentaram valores

5 de coeficiente de atenuação compatíveis àqueles descritos para músculo e gordura, respectivamente [11]. Ainda é necessário explorar concentrações intermediárias às estudadas neste trabalho, a fim de elucidar a relação entre os agentes espalhadores presentes nos phantoms (pó de grafite e bolhas), bem como tentar ajustar as propriedades acústicas e imagens buscando a otimização dos resultados. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq, CAPES e à FAPERJ pelo apoio financeiro. À Dra. Maria Julia Calas pela aquisição das imagens de mama. Referências [1] Madsen, E. L., Zagzebski, J. A., Frank, G. R., Greenleaf, J. F., Carson, P. L. (1982) Anthropomorphic Breast s for Assessing Ultrasonic Imaging System Performance and for Training Ultrasonographers, Journal of Clinical Ultrasound, v. 10, pp [2] Madsen, E. L., Bergie, W. A., Mendelson, E. B., Frank, G. R. (2006), "Anthropomorphic Breast for Qualification of Investigators for ACRIN Protocol 6666", Radiology, v. 239, n. 3, pp [3] Fujisaki, T., Kimura, M., Saitoh, H. (2006), Production Design and Evaluation of a Novel Breast With Various Breast Glandular Fractions, Radiation Medicine, v. 24, pp [4] Sato, S. Y., Pereira, W. C. A., Vieira, C. R. S. (2003), " para Medição da Faixa Dinâmica de Equipamentos de Ultra-som Biomédicos", Revista Brasileira de Engenharia Biomédica, v. 19, n.3, pp [5] Basto, R. L. Q., Pereira, W. C. A., Kruger, M. A. V., Fonseca, H. M., Orlande, H. R. B. (2006), "Thermophysical Properties of Different Samples of Tissue-Mimicking Materials for Ultrasound Hyperthermia s", In: Proceedings of III Conference in Computational Mechanics, Amsterdam, v. 1, pp [6] Ferreira, C. I. (2008), Nanocompósitos PP/ Grafite: Obtenção e Propriedades, Dissertação de Mestrado, Programa de Pósgraduação em Ciência dos Materiais, UFRS, Rio Grande do Sul, 72 p., abr. [7] Carvalho, I. M., Basto, R. L. Q., Infantosi, A. F. C., Kruger, M. A. V., Pereira, W. C. A. (2010), "Caracterização de Lesões de Mama em s para Ultrassom", In: Anais do XXII Congresso Brasileira de Engenharia Biomédica, Tiradentes, nov. [8] Spirou, G. M., Oraevsky, A. A., Vitkin, I. A., Whelan, M. W. (2005), Optical and acoustic properties at 1064 nm of polyvinyl chloride-plastisol for use as a tissue phantom in biomedical optoacoustics, Physics in Medicine and Biology, v. 50, pp [9] Maggi, L. E. (2011), "Caracterização das Propriedades Acústicas de Novos Materiais Visando a Confecção de s Ultrassônicos", Tese de Doutorado, Programa de Engenharia Biomédica, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 117 p., fev. [10] Wells, P. N. T. (1975), "Absorption and Dispersion of Ultrasound in Biological Tissue", Ultrasound in Medicine and Biology, v. 1, pp [11] Mast, T. D., Hinkelman, L. M., Orr, M. J., Sparrow, V. W., Waag, R. C. (1997), "Simulation of Ultrasonic Pulse Propagation Through the Abdominal Wall", Journal of the Acoustical Society of America, v. 102, pp