Ultraschall: Modulare Plattform vielseitig einsetzbar

Interview mit Steffen Tretbar, Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT)

Sonaraufnahmen unter Wasser oder Untersuchungen des Schwangerschaftsbauches – Ultraschall wird vielseitig verwendet. Um nicht für jede Anwendung ein komplett neues System entwickeln zu müssen, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik eine modulare Ultraschallplattform kreiert. Mit dem System decken sie eine große Anwendungsbandbreite ab.

04/05/2015

Foto: Steffen Tretbar

Steffen Tretbar; © privat

Gruppenleiter Steffen Tretbar erklärt auf COMPAMED.de, wie das möglich ist und wer die Plattform bereits anwendet.

Herr Tretbar, worum handelt es sich genau bei der modularen Ultraschallplattform, die Sie mit Ihrem Team entwickelt haben?


Steffen Tretbar: Mit unserer Ultraschallplattform verfolgen wir ein modulares Konzept. Das bedeutet, dass wir in dem System nur bestimmte Teile austauschen müssen, um dem Kunden eine auf seine Anwendungsbereiche und Anforderungen angepasste Lösung, schnell und kostengünstig zur Verfügung zu stellen.

Welche Teile der Plattform sind austauschbar?

Tretbar
: einem Ultraschall-Gerät werden Signale zuerst gesendet, dann von dem untersuchten Medium rückgestreut und letztendlich empfangen. Beim medizinischen Ultraschall werden so beispielsweise Bilder eines Organs erzeugt. In den sogenannten Front-End Boards finden sowohl die Signalerzeugung als auch die Digitalisierung der Daten statt. Diese Boards sind auch die austauschbaren Teile unserer Ultraschallplattform.

Wie viele Front-End Boards gibt es zur Auswahl?

Tretbar
: Wir haben drei Standard-Front-End Boards entwickelt: Zum einen ein hochfrequentes Board, das eine Digitalisierungsrate bis 500 Megahertz realisiert. Es wird in der Molekularen Bildgebung, der Kleintierbildgebung oder beispielsweise in der Werkstoffprüfung angewendet.

Das zweite Front-End Board eignet sich für die klassische medizinische Anwendung. Es hat eine Digitalisierungsrate bis 80 MHz und kann Ultraschall-Transducer bis 20 MHz Arbeitsfrequenz bedienen. Dieses Board wird zum Beispiel in der klassischen Diagnostik oder im Bereich der Photoakustik verwendet. Durch eine sehr schnelle Datenwiederholrate (einige kHz) und einer damit verbundenen neuen Signalverarbeitung (Plane-Wave-Compound-Imaging) erzeugt es sehr hochaufgelöste Bilder von im Körper liegenden Gewebestrukturen, ohne gefährliche Strahlung zu bewirken wie bei einer Computertomografie.
Foto: Hardware der modularen Ultraschallplattform

Hardware der modularen Ultraschallplattform für Ultraschall-Anwendungen von 100 KHz bis 100 MHz; © Fraunhofer IBMT

Das dritte Board bedient niederfrequente Applikationen und arbeitet im Bereich von 100 kHz bis einige MHz. Mit dieser Lösung zielen wir sowohl auf Sonaranwendungen, wie zum Beispiel Unter-Wasser-Ortung, als auch auf therapeutische Ultraschall-Anwendungen ab.

Pro Front-End Board sind entweder acht oder 16 Empfangskanäle platziert. 16 dieser Boards stehen wiederum mit einem Mainboard in Verbindung. Damit können wir Systeme mit bis zu 128 oder 256 Sende- und Empfangskanälen realisieren. Insgesamt decken wir mit den drei Boards einen Frequenzbereich von 100 kHz bis zu 100 MHz für unterschiedlichste Ultraschallapplikationen ab.

Wie integrieren Sie die einzelnen Boards in das System?

Tretbar
: Die Boards sind über Steckverbindungen im Ultraschallsystem integriert. Wir stellen zudem Software-Schnittstellen zur Verfügung, um unsere Systeme einfach auf die Anwendung des Kunden anzupassen. Wenn der Kunde im Nachhinein zu einem anderen Frequenzbereich wechseln möchte, muss er nicht ein neues System kaufen, sondern könnte nur das Front-End Board austauschen. Die Basis-Software und das Mainboard bleiben immer identisch.

Haben Sie ein konkretes Beispiel?

Tretbar
: Wir haben für eine Firma ein System entwickelt, das zum Erfassen von Patientenbewegungen während der Tumorbestrahlung eingesetzt wird. In dem speziellen System erfassen wir parallel von vier Ultraschallwandlern Daten aus dem Inneren des Patienten. Mit den von Kunden erstellten Algorithmen leitet der Anwender ab, wie stark die Bewegungen im Inneren des Patienten sind. Diese Verschiebungsinformationen nutzt er, um die Planungsdaten von Bestrahlungen anzupassen. Auf diese Weise kann man eine sehr großflächige Bestrahlung deutlich minimieren und bei einer Tumorbestrahlung das gesunde Gewebe viel mehr schonen. Unser Kunde hat also die modulare Ultraschallplattform genutzt, um seine eigenen Algorithmen aufzusetzen und sie in seine Applikation zu verwenden.

Foto: Modulare Ultraschallplattform
Foto: Darstellung von Blutgefäßen
Foto: Darstellung von einer Sonoraranwendung

Wer nutzt zurzeit sonst noch die modulare Ultraschallplattform?

Tretbar
: Die Kundenpalette ist breit. Die Plattform wird zum einen von internationalen Universitäten zu Forschungszwecken für viele verschiedene Anwendungen genutzt. Oft ist das Fraunhofer IBMT an den Forschungsprojekten als Partner beteiligt. Es sind aber auch kleine und große Unternehmen, die mit dem System neue Anwendungen ausprobieren und/oder entwickeln – bis hin zum fertigen Produkt.

Das betrifft nicht nur den medizinischen Bereich, sondern beispielsweise auch die Materialprüfung. Die Kunden aus dieser Branche lassen bei uns häufig spezielle Wandler entwickeln. Auch im Sonarbereich realisieren wir komplette Imaging-Systeme, die eine Anwendung unter Wasser ermöglichen.

Beim Ultraschall werden häufig Arrays eingesetzt. Wofür sind sie zuständig?

Tretbar
: Die Arrays bestehen aus vielen kleinen Einzelelementwandlern. Mit den Arrays kann man den Ultraschall-Strahl elektronisch gezielt steuern. Sie bieten zudem eine größere Wandlerfläche, um genügend Energie zum Senden zu haben und beim Empfangen der Signale eine höhere Sensitivität zu gewährleisten. Dadurch dass man den Ort der Einzelelemente kennt, ist eine einfache Kontrolle des Schallstrahls möglich – was einen weiteren Vorteil der Array-Technologie bedeutet.

Die Kombination aus Ultraschall-Array und mehrkanaliger Elektronik unseres Systems ermöglicht außerdem eine Rohdatenakquisition. Damit kann man beispielsweise für jeden Bildpunkt, den man darstellen möchte einen Fokuspunkt berechnen. Das erlaubt es wiederum, im Gegensatz zur klassischen Ultraschall-Technologie, sehr hochaufgelöste und kontrastreiche Bilder zu erzeugen.

Welche weiteren Möglichkeiten eröffnen sich durch den Zugriff auf die unverarbeiteten Rohsignale eines Ultraschallarrays?

Tretbar
: Das Interessante daran ist für viele unserer Forschungspartner nicht nur die Bildbearbeitung, sondern die Möglichkeit der Signalverarbeitung. Wir können dem Anwender die unverarbeiteten Rohdaten zur Verfügung stellen. Das sind Phasen- und Amplitudendaten, die von jedem einzelnen Kanal empfangen werden, aber noch gar keinem Rekonstruktions- oder Signalbearbeitungs- Algorithmus unterliegen. Auch die gesendeten Signale können für jeden Kanal beliebig codiert oder zeitverzögert werden, um Sie für eine bestimmte Applikation zu nutzen.

Foto: Michalina Chrzanowska; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Michalina Chrzanowska.
COMPAMED.de