Bildverarbeitung

Herausforderungen beim Ultraschallsonden-Design

30. November 2020, 11:17 Uhr   |  Ravindra Munvar

Herausforderungen beim Ultraschallsonden-Design
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Ultraschallsonden: Neue Formen, neue Herausforderungen.

Fortschritte in der Halbleitertechnik ermöglichen kleinerer, weniger Strom verbrauchender Ultraschallköpfe

Die Bildgebung in der Medizin, und hier speziell die Ultraschalltechnik, macht einen entscheidenden Wandel durch. Denn neben den auf eigenen Wagen installierten Hochleistungs-Systemen lassen sich jetzt auch mit Geräten im Handheld-Format qualitativ hochwertige Ultraschallbilder erzeugen. Fortschritte im Bereich der Halbleitertechnik haben dafür gesorgt, dass intelligente Ultraschallköpfe (Smart Probes) immer kleiner und portabler werden, sodass ihr Einsatz nicht nur in Arztpraxen und Kliniken möglich ist.  Ein Smart Probe ist im Prinzip ein portables Ultraschallgerät, in das nicht nur der gesamte Frontend-Teil, sondern auch fast der komplette Backend-Teil integriert ist. Der »intelligente« Ultraschallkopf mit seinen reduzierten Abmessungen und seinem geringeren Stromverbrauch verarbeitet die Daten, unter Beibehaltung einer hohen Signalqualität und stellt die Bilder mithilfe einer schnellen USB-Verbindung oder auch drahtlos auf einem mobilen Gerät dar. 

Wir nähern uns sehr schnell einer Zeit, in der die meisten Mediziner neben dem Stethoskop auch ein portables Ultraschallgerät in ihrer Tasche mitführen, sodass sie die Vorgänge im Körper nicht nur hören, sondern auch sehen können. Dies stellt im kommenden Jahrzehnt einen potenziellen Markt von einigen Millionen Einheiten dar – neben den herkömmlichen Ultraschallsystemen. Die Systeme auf Handheld-Format zu verkleinern, ist jedoch keine leichte Aufgabe und es stellen sich gleich mehrere Herausforderungen. 

Die Platz- und Stromverbrauchs-Restriktionen von Ultraschallsystemen wurden durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie deutlich entschärft.
© Texas Instruments

Die Platz- und Stromverbrauchs-Restriktionen von Ultraschallsystemen wurden durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie deutlich entschärft.

Allein die Stromversorgung eines Ultraschallkopfs mit sehr geringem Rauschen und die Sicherstellung, dass von der Stromversorgung selbst nicht zu viel Strom verbraucht wird, stellen zwei knifflige Herausforderungen dar. Die Designer müssen mit sehr wenig Fläche und Höhe auskommen und gleichwohl einen Wirkungsgrad von über 90 % erzielen. Wichtig ist außerdem ein geringer Stromverbrauch im inaktiven Zustand. Die meisten Hersteller verlangen von ihren Stromversorgungen eine Schaltfrequenz von unter 1 MHz und die Synchronisation zu einem externen Takt, um störende Oberschwingungen im Ultraschall-Betriebsbereich von 2 bis 20 MHz zu unterbinden. Die Abwägung zwischen Wirkungsgrad und Platzbedarf stellt für sich schon eine enorme Herausforderung dar. 

Energiebudget trotz hoher Kanalzahl einhalten

Noch vor 20 Jahren bestand ein 64-kanaliges Ultraschallsystem aus mehreren Leiterplatten im A4-Format für Sendung, Empfang, A/D-Wandlung, Beamforming und Verarbeitung. Alle diese Leiterplatten wurden in eine Backplane gesteckt und waren mit einem herkömmlichen Computer verbunden. Heutzutage muss das Frontend-Board für einen 64-kanaligen Smart Probe kleiner als eine Kreditkarte (85 x 54 mm) sein. Eine derartige Miniaturisierung ist trotz aller technologischen Fortschritte und des erreichten hohen Integrationsgrads nicht einfach umzusetzen. 

Die gleichzeitige Verarbeitung einer großen Zahl von Kanälen sorgt für eine höhere Bildqualität. Die meisten auf Wagen installierten Ultraschallscanner bieten heute 128 Kanäle oder sogar mehr. Erste Smart Probes besaßen dagegen entweder 8 oder 16 direkt in den Kopf integrierte Kanäle, die zur Weiterverarbeitung an ein größeres System angeschlossen wurden.  Zurzeit versuchen die Hersteller, 64 oder 128 Kanäle in den Ultraschallkopf zu integrieren. Um solch hohe Kanaldichten zu erreichen, können sie auf kommerziell ab Lager angebotene Bauelemente zurückgreifen. So geben das 32-kanalige, analoge Sende-Frontend TX7332 und das 32-kanalige analoge Empfangs-Frontend AFE5832LP (beide Texas Instruments) Designern die Möglichkeit, mit nur jeweils zwei Bausteinen 64 Kanäle zu unterstützen.

Bauelemente dieser Art steuern den Schallwandler zur Erzeugung der Ultraschallimpulse an, verarbeiten das empfangene Echo und digitalisieren die empfangenen Signale, um das Bild zu produzieren. Diese Frontends sind nach wie vor auf zusätzliche Bauelemente wie etwa Prozessoren oder FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) angewiesen, die sie steuern und die erzeugten Daten aufbereiten. Die Herausforderung besteht darin, möglichst viele dieser Bauelemente zu kombinieren, um durch viele Kanäle die Bildqualität zu steigern, ohne dass das bisherige Energiebudget überschritten wird. 

Sende-Frontend TX7332 (Blockdiagramm)
© Texas Instruments

Sende-Frontend TX7332 (Blockdiagramm)

Ein auf einem Wagen installierter, 128-kanaliger Ultraschallscanner verbraucht insgesamt zwischen 0,5 und 1 kW. Für einen smarten Ultraschallkopf im Handheld-Format steht dagegen nur ein Budget von 3 bis 5 Watt zur Verfügung, damit er weder für den behandelnden Arzt noch für den Patienten zu warm wird und potenziell auch für den Batteriebetrieb geeignet ist. Diese geringe Wattzahl bedeutet jedoch, dass auf Kühlmechanismen wie etwa Lüfter, die Vibrationen verursachen und zu verschwommenen Bildern führen könnten, verzichtet werden muss. Die Designer müssen deshalb Maßnahmen ergreifen, die sicherstellen, dass ihre Ultraschallköpfe das vorgegebene Energiebudget einhalten, indem einige Bauelemente in den Sleep-Zustand versetzt und andere ganz abgeschaltet werden, solange das System nicht in Gebrauch ist. Hier kommt es zudem auf ein schnelles Ein- und Ausschalten an.

Daten ohne Qualitätseinbußen übertragen

Die Datenverarbeitung wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, wie etwa die Zahl der Kanäle, den erwarteten Stromverbrauch und die Datenübertragungs-Bandbreite. In einem mit 40 MHz abtastenden, 64-kanaligen System generiert das Frontend pro Sekunde 5,12 GByte an Daten, die sich nicht direkt an ein Tablet oder Mobilgerät transferieren lassen. Selbst wenn sich die Daten auf irgendeine Art und Weise übertragen lassen, könnte das Gerät die Daten nicht in Echtzeit verarbeiten. Folglich müssen die Daten zuvor aufbereitet und so umgewandelt werden, dass sie einen beherrschbaren Umfang haben. Erst danach kann die Übertragung an die Displayeinheit erfolgen. Der Verarbeitungsaufwand richtet sich nach der Abwägung zwischen dem Stromverbrauch, der Bandbreite und der Verarbeitungsleistung der Displayeinheit. Die meisten Designer setzen für die Datenverarbeitung und das Steuern des Frontends auf stromsparende FPGAs und Prozessoren. 

Bei leitungsgebundenen Ultraschallköpfen können Schnittstellen wie etwa USB 3.1 und höher mit USB Typ C ein Pluspunkt sein, um der Displayeinheit die nötige Energie und eine hohe Übertragungsbandbreite zu verleihen. Damit ein Smart Probe aber wirklich mobil wird, müssen die Daten drahtlos übertragen werden. Es gibt eine Vielzahl kommerziell verfügbarer drahtloser Kommunikations-Protokolle wie etwa Wi-Fi (802.11n, 802.11ac, 802.11ad oder 802.11ax). Hierbei können sich jedoch Einschränkungen durch Störbeeinflussungen in dem von ihnen benutzten Band ergeben, sobald mehrere Geräte dasselbe Band verwenden. Daneben gibt es weitere Standards wie etwa Sub-Gigahertz (802.11ah), die jedoch in ihrer Bandbreite begrenzt sind. 

Empfangs-Frontend AFE5832LP (Blockdiagramm)
© Texas Instruments

Empfangs-Frontend AFE5832LP (Blockdiagramm)

Die entscheidende Herausforderung liegt in der schnellen und effizienten Auswertung der großen Datenmengen. Die exakte Interpretation verlangt heute nach mehreren Ärzten zum Analysieren der Daten, und es bestehen erhebliche Kapazitäts- und Zeitrestriktionen. Sobald eine schnelle Datenanbindung verfügbar ist, können die Daten für die zügige Analyse an dezentrale Server übermittelt werden. Dank kommender Big-Data-Analytik und Künstlicher Intelligenz lassen sich Bilder zukünftig online vergleichen und interpretieren sowie in Echtzeit erfolgen, sodass eine umgehende Diagnose möglich ist. 

Der Autor

Ravindra Munvar ist Systems Engineer, Medical Systems Group beiTexas Instruments

Anmerkung

Dieser Artikel erschien zuerst in der Printausgabe der medcial design 4/2020 (S. 29 – 31). Diesen und weitere finden Sie auch im kostenfreien ePaper.
 

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