Comparisons of Image Quality and Aperture Blockage Caused by the Ribs for Male and Female Patients in Echocardiography

Abstract

I ekkokardiografi kan ribbebeinene degradere bildekvaliteten ved å blokkere deler av aperturen. Pasienter med smalere interkostalrom er derfor vanskeligere å avbilde [2]. En sonografisk analyse av interkostalrommene avslørte at kvinner har signifikant smalere interkostalrom enn menn [3]. Det har derimot ikke blitt undersøkt om kvinner har mer aperture blokkering og dårligere bildekvalitet enn menn på grunn av størrelsen på proben og forskjeller i brystkassedimensjoner. Det finnes også foreløpig ingen standard kvantitativt mål på bildekvalitet i ekkokardiografi. De bildekvalitetsparameterne som allerede brukes, som kontrast målinger og koherens metoder, har svakheter som gjør at de ikke er gunstige som mål for in-vivo bildekvalitet.

Denne masteren har som mål å sammenligne forskjellige energinivåer av ultralydenergi for menn og kvinner for å finne ut om probene er for store for kvinners interkostalrom på grunn av aperture blokkering av ribbeinene. En metode for å visualisere blokkering vil bli introdusert som et verktøy for kardiologer, og de resulterende plottene vil sammenlignes med ekkokardiogram fra ekte pasienter. Denne metoden vil også bli brukt for å demonstrere en ny type aperture blokkering. I tillegg til dette vil en ny parameter for måling av bildekvalitet som heter Global Image Coherence (GIC) bli testet. Denne parameteren har ikke den svakheten at den krever identifikasjon av én eller flere ROI, noe som betyr at den kan være optimal for mål av in-vivo bildekvalitet.

Metoden for å visualisere blokkeringen er basert på å bruke MATLAB for å konstruere amplitude plott av den reflekterte energien til proben for tre ulike energinivåer. Disse nivåene ble satt til verdier mellom 0 og -9 dB. Datasettet som er brukt inneholder 291 opptak av fem ulike bildesnitt fra 37 menn og 19 kvinner. GIC og prosent av energinivåene ble regnet ut for hver av de 64 bilderutene for alle opptakene. I tillegg ble datasettet også bli delt inn i høye pasienter (>= 170-178 cm) og pasienter med en BMI over 25 for å se om det er noen signifikante forskjeller.

Resultatene avslørte at de mannlige pasientene og de høye pasientene hadde signifikant høyere GIC verdier. Dette betyr at pasientene som hadde bredere interkostalrom hadde bedre bildekvalitet, ettersom GIC parameteren viste seg å være egnet for å måle in-vivo bildekvalitet. Resultatene viste også at de apikale bildesnittene hadde signifikant høyere GIC enn de parasternale snittene, mest sannsynlig på grunn av interferens med lungene. En svakhet med hvordan metoden regnet ut og visualiserte de ulike energinivåene var at det kun ble detektert tap av signalenergi, og ikke de tilfellene det ribbebeinene interfererer med ultralydsignalet før det blir reflektert tilbake til proben.

Man kan derfor konkludere med at pasienter med bredere interkostalrom hadde bedre bildekvalitet. Dette er en indikasjon på at probene brukt i dag er for store for kvinner og lavere personer. Det var derimot ikke mulig å konkludere med at det var på grunn av aperture blokkering av ribbeinene ettersom amplitude plottene kun detekterte blokkering som førte til tap av signalenergi. Resultatene argumenterer derfor for at det er behov for å utføre en større studie der andre tilfeller hvor interferens med ribbebeinene blir tatt hensyn til.

In echocardiograms, the ribs can degrade the image quality by blocking parts of the aperture. Patients with narrower intercostal spaces are therefore more difficult to image [2]. A sonographic analysis of the intercostal spaces revealed that women have significantly narrower intercostal spaces than men [3]. It has, however, not been tested if women have more aperture blockage and poorer image quality than men because of the probe size and the differences in rib cage dimensions. There is also currently no standard quantitative measure for the image quality in echocardiograms. The metrics already used, like contrast measures and coherence methods, have weaknesses that limit their use for in-vivo image quality.

This paper aims to compare different levels of ultrasound energy for men and women for the purposes of finding out if the cardiac probes are too large for women’s intercostal spaces due to aperture blockage by the ribs. A method for visualizing the blockage will be introduced as a tool for cardiologist, and the resulting plots will be compared to echocardiograms of real patients. This method will also be used to demonstrate a new type of aperture blockage. In addition to this, a new image quality metric called the Global Image Coherence (GIC) will be tested. This metric does not have the drawback that it requires identification of one or more ROI, meaning that it can be optimal for measuring in-vivo image quality.

The method for visualizing the blockage is based on using MATLAB to construct amplitude plots of the reflected energy to the probe for three different energy levels. These levels were set to range from 0 to -9 dB. The data set under scrutiny contained 291 recordings of five image views from 37 men and 19 women. The GIC and the percentage of the energy levels were calculated for each of the 64 frames for all the recordings. In addition, the data set was also divided into taller patients (>= 170-178 cm) and patients with a BMI above and below 25 to see if there were any significant differences.

The results revealed that the male patients and the taller patients had significantly higher GIC values. This means that patients with wider intercostal spaces had better image quality as the GIC metric proved to be suitable for measuring in-vivo image quality. It was also revealed that the apical views had significantly higher GIC than the parasternal view, most likely due to interference with the lungs. A weakness with how the method calculated and visualized the energy levels was that it only detected signal energy loss, and not the cases where the ribs are interfering with the ultrasonic signal before it gets reflected to the probe.

As a conclusion, patients with wider intercostal spaces had better image quality. This indicates that the probes used today might be too large for women and shorter people. It was, however, not possible to conclude that this was because of aperture blockage by the ribs as the amplitude plots only detected blockage that caused signal loss. The results therefore argue the need to conduct a larger study where other cases of rib interference are considered.