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Nicole Ruiter
Kontakt:
Frau Dr. Nicole Ruiter

Tel.: +49 721 608 2 5668
E-Mail: Nicole Ruiter

Das Funktionsprinzip der Ultraschall Computertomographie auf einen Blick

Die Ultraschall Computertomographie (USCT) basiert auf einem 3D Verfahren:
Im Gegensatz zur Röntgenmammographie ist die Ultraschall Computertomographie ein 3D Verfahren. D.h. die verschiedenen Gewebe der Brust werden nicht in einer Projektion aufsummiert, sondern können dreidimensional von allen Seiten betrachtet werden. Das bedeutet, dass ein Tumor in dichtem Drüsengewebe differenziert betrachtet werden kann. Die Aufnahme der unkomprimierten Brust in einem festen Aufbau erlaubt den einfachen Vergleich der zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommenen 3D-Bilder. Ein schon erfolgreich eingesetztes 3D Verfahren ist die Magnetresonanztomographie (MRT), die jedoch als Vorsorgemethode sehr teuer ist und bei Verdacht auf Brustkrebs zur weiteren Abklärung benutzt wird.


Ziel des Projekts ist ein Ultraschallgerät, mit dem hochwertige Volumenbilder für eine verbesserte Brustkrebsdiagnose erstellt werden können.

 

Funktionsprinzip des 3D Demonstrators

Die 3D Ultraschall Computertomographie arbeitet mit Ultraschall, der in ein wassergefülltes Volumen eingestrahlt wird. Ein gesendetes Ultraschallsignal durchläuft das Messvolumen und wird von ca. 1500 Ultraschallsensoren auf den Wänden dieses Volumens registriert.

 

 

Befinden sich Objekte im Wasser, so verändern sich die Ultraschallsignale durch Reflexion, Dämpfung und Brechung an den Gewebegrenzen. Die Auswertung dieser Signale ermöglicht die Rekonstruktion der Objekte und liefert Informationen über die Reflektivität, Absorption und Änderung der Schallgeschwindigkeit durch diese Objekte. Es wird erwartet, dass dank einer besseren Bildqualität die Krebsdiagnose in einem früheren Stadium gestellt werden kann. Eine frühzeitige Brustkrebserkennung steigert die Überlebenschancen der Patientinnen.

 

 

 

Wassergefüllter Messzylinder mit ringförmig angeordneten Ultraschallsensoren
Wassergefüllter Messzylinder mit ringförmig angeordneten Ultraschallsensoren

 


Ultraschallsensoren aus dem Fertigungszentrum des Instituts für Prozessdatenverarbeitung und Elektrotechnik (IPE)

Die eigens für dieses Projekt entwickelten Ultraschallsensoren sind mit Sende- und Empfangselementen ausgestattet. Sie arbeiten mit einer mittleren Frequenz von ca. 2,5 MHz, um menschliches Gewebe auf der Strecke durch den Messzylinder durchdringen zu können.

 

Die Ultraschallsensoren wurden am IPE entwickelt und angefertigt. Sie zeichnen sich u. a. durch ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und hohe Reproduzierbarkeit aus.

 

Elektronikplatine eines Ultraschallsensors mit piezoelektronischen Kristallen zum Senden und Empfangen der Ultraschallsignale
Elektronikplatine eines Ultraschallsensors mit piezoelektronischen Kristallen zum Senden und Empfangen der Ultraschallsignale

 


Datenverarbeitung im Großformat

Die Ultraschallsensoren erzeugen während einer Messung eine sehr hohe Datenrate von ca. 15 GBytes/s. Das entspricht etwa 20 CDs pro Sekunde. Die speziell für diese Anforderungen entwickelte Hardware erfasst und reduziert die Daten und übermittelt sie an einen Rechner.
Auf diesem Rechner werden alle Messungen initiiert und die daraus gewonnenen Daten gespeichert. Dafür wurde die Steuerungs- und Datenaufnahmesoftware „Andromeda“ von der Softwaregruppe des IPE für die USCT-Messungen entwickelt.
 
 
Die Sensorelektronik des 3D-Demonstrators muss eine enorme Datenmenge verarbeiten können
Die Sensorelektronik des 3D-Demonstrators muss eine enorme Datenmenge verarbeiten können

 

 

 

 
Aus Daten werden Bilder: die Rekonstruktion

Aus den empfangenen Ultraschallsignalen kann die 3D Rekonstruktionssoftware Volumenbilder des Zylinderinhalts erstellen. Die Herausforderung bei der Bildrekonstruktion besteht darin, geeignete Berechnungsalgorithmen zu finden und diese zu optimieren. Die Qualität der Bilder wird von vielen, teils noch unbekannten Faktoren beeinflusst. Neue Erkenntnisse führen zu stetig verbesserten Rekonstruktionsergebnissen.
 
 
 Schicht einer 3D-Rekonstruktion mit einem Brustphantom (linkes Foto) als Objekt
Schicht einer 3D-Rekonstruktion mit einem Brustphantom (linkes Foto) als Objekt
 
 
 
Forschungsergebnisse und Zukunftsaussichten

Der Aufbau des ersten 3D Demonstrators ist abgeschlossen. Er liefert bereits vielversprechende Ergebnisse, mit denen das Forschungsteam arbeiten und das System optimieren kann.
Die Verarbeitung der enormen Datenmengen und die Rekonstruktion hoch aufgelöster Volumenbilder sind zurzeit noch die größten Herausforderungen für die Projektgruppe. Daneben sorgen vielseitige Forschungen, z. B. in den Bereichen Datenkomprimierung und Signalverarbeitung, für die Weiterentwicklung des 3D-Demonstrators zum marktreifen Diagnosegerät.
Aktuell wird am Aufbau eines zweiten 3D Demonstrators gearbeitet, der u.a. eine optimierte Geometrie und wesentlich schnellere Datenakquisitions-Hardware besitzen wird. Damit wird es erstmals möglich sein, hochaufgelöste Volumenbilder von Probandinnen zu erzeugen.
 
 
3D-Volumenrekonstruktion der Schallgeschwindigkeitsunterschiede eines Brustphantoms
 
3D-Volumenrekonstruktion der Schallgeschwindigkeitsunterschiede eines Brustphantoms