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Medizin-Algorithmen

Ultraschnell, Ultraschall

18. August 2022, 11:46 Uhr | Subh Bhattacharya, AMD

Adaptive System-on-Chips (SoCs) können die diagnostische Ultraschallbildgebung mit Echzeit-Bildverarbeitung vorantreiben.

Ultraschall - der Status Quo

Ultraschall ist ein beliebtes diagnostischen Bildgebungsverfahren - er ist nicht invasiv und weist keine Strahlungsbelastung auf. Aufgrund seiner nicht-invasiven Natur und den immer besseren Weichteilbildern entstehen zudem viele neue Anwendungen: Die Nachfrage nach fortschrittlichen Bildgebungsverfahren mit Ultraschall-Beamforming, mehrdimensionaler Visualisierung und der Anwendung von künstlicher Intelligenz zur Unterstützung der Diagnose steigt.

Heutzutage ist medizinischer Ultraschall jedoch noch immer nur eingeschränkt für Echtzeitanwendungen einsetzbar. Gründe sind Herausforderungen wie die sequentielle Datenerfassung, niedrige Bildraten (10 bis 50 Bilder pro Sekunde) und ein suboptimaler Bildfokus, der nur in einer einzigen Tiefenebene erreicht werden kann.

Sequenzielle Bildaufnahme - der Standard

Bei der standardmäßigen sequenziellen Bildaufnahme wird das komplette Bild Zeile für Zeile erfasst. Jede Zeile wird gescannt, indem eine Reihe von Punkten, z.B. von links nach rechts, mit einem übertragenen Strahl, der auf einen bestimmten Punkt fokussiert, aufgenommen wird. Eine Zeile an einer beliebigen seitlichen Position wird dann durch dynamische Fokussierung während des Empfangs erzeugt. Im nächsten Schritt geht das medizinische Personal ein wenig tiefer und scannt erneut. Der Vorgang wird mehrmals, um ein vollständiges und gutes Bild zu erhalten.

Um die Qualität des Ultraschallbildes zu verbessern, werden verschiedene Fokustiefen für die Übertragung verwendet, und das endgültige Bild wird durch eine Rekombination dieser Teilbilder, die verschiedenen Tiefen entsprechen, erstellt.

Außerdem ist die Ultraschallbildgebung auf die Schallgeschwindigkeit von 1.540 Metern pro Sekunde beschränkt. Es dauert also 200 Mikrosekunden, um in 15 Zentimeter Tiefe zu gelangen und das Signal wieder zu empfangen, was 5.000 Messungen pro Sekunde entspricht. Bei einem Bild mit einer Auflösung von 100 bis 200 Zeilen führt dies zu einer Bildrate von 10 bis 50 Bildern pro Sekunde (fps), was 100 bis 20 ms entspricht.

Grenzen des heutigen Ultraschall-Verfahrens

Die Aortenklappe, die im menschlichen Herzen und in den meisten Tierherzen zu finden ist, bewegt sich beispielsweise bei Herzaufnahmen in einem Zeitrahmen von 200 ms. Sie können also nur 10 Schnappschüsse (200ms/20ms=10) von der sich bewegenden Klappe erhalten. Das ist für die Anforderungen der Echtzeit-Bildgebung nicht ausreichend. Daher ist die sequenzielle Datenerfassung nicht geeignet, um die gewünschte Bildrate und Bildqualität bei dieser kritischen Ultraschalldiagnose zu erreichen.

Eine Möglichkeit, diese Herausforderungen zu meistern, ist der Einsatz von extrem schnellen Bildgebungsverfahren. Diese ultraschnelle Bildgebung ist dank modernen Chip-Technik ein Paradigmenwechsel, der von der normalen sequentiellen Erfassung zu einer vollständigen parallelen Erfassung der gesamten Ebene führt, wobei entweder sphärische oder ebene Wellen verwendet werden. Dieses Vorgehen ermöglicht es, überall im Bild optimal fokussierte Bilder zu erhalten und Tausende von Bildern pro Sekunde aufzunehmen, was zu einer hohen Bildqualität, Genauigkeit und Scantiefe führt. Die funktionelle Bildgebung kann mit hoher Genauigkeit sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Geschwindigkeiten durchgeführt werden, der vollständige Datensatz ermöglicht genauere retrospektiven Messungen.

Allerdings waren diese ultraschnellen Techniken bisher auf Forschungsscanner beschränkt, für kommerziell nutzbaren Ultraschallscanner benötigten sie noch unerreichbare hohe Ressourcen hinsichtlich der Rechenleistung, der Gerätegröße und des Energiebedarfs.

Doch die technologische Entwickung schreitet unaufhörlich voran. Adaptiven System-on-Chips (SoCs) adressieren die noch bestehenden Herausforderungen und können die ultraschnellen Bildgebung vorantreiben.