Du hast das niedlichste kleine Gesicht - BabyFace™
Matrox 4Sight für die 3D-Ultraschalldiagnostik
Zweidimensionale pränatale Ultraschallbilder sind wohl für jeden von uns, Mediziner oder Radiologen ausgenommen, sehr schwer zu enträtseln - "ist das der Kopf unseres Kindes, oder sind es die Hände oder die Füße?" Eine neue Technik in der 3D-Ultraschalldiagnostik kann das jetzt ändern.
BioMediCom - eine in Jerusalem (Israel) ansässige Firma - erkannte den Bedarf an verbesserten Ultraschallbildern und reagierte mit BabyFace™ - einer "Add-On"-Technologie, die unter Beibehaltung der konventionellen 2D-Ultraschall-Aufnahmepraxis auf Knopfdruck eine 3D-Volumendarstellung der Daten liefert.
Das BabyFace-System lässt sich problemlos in die meisten weltweit in Krankenhäusern und Kliniken eingesetzten 2D-Ultraschallsysteme integrieren und stört das normale Abtastverfahren in keiner Weise.
"Mediziner und Radiologen, die auf dem Gebiet der Ultraschalldiagnostik tätig sind, brachten uns den großen Wunsch künftiger Eltern nahe, ihre Babys in realistischen Formen sehen zu können, ohne die stark verrauschten 2D-Bilder enträtseln zu müssen", erklärt Dr. Hillel Rom, Leiter der Softwareentwicklung für das BabyFace™-Projekt.
Diese Technologie bringt jedoch nicht nur ästhetische Vorteile, sondern birgt auch das Potential für eine Reduzierung der Diagnosezeiten und für eine größere Genauigkeit bei Prognosen. "Die dreidimensionale Bildverarbeitung gibt dem Ultraschallspezialisten ein Werkzeug an die Hand, mit dem er verschiedene Organe und Gewebe auf völlig neue Weise betrachten kann. Diese Technologie hat das Potential für genauere Messungen und eine höhere Zuverlässigkeit bei der Entdeckung von Abnormitäten - was von großer klinischer Bedeutung ist" - erklärt Rom.
BabyFace™ besteht aus einem einzigartigen Datenwandlungssystem, einer hochentwickelten 3D-Visualisierungssoftware und einem Minicomputer. Das System ist mit den meisten weltweit existierenden 2D-Ultraschallsystemen in Krankenhäusern und Kliniken voll kompatibel und stört die normale Ultraschallabtastung in keiner Weise.
Wie funktioniert es? Die 2D-Bilder werden mit Hilfe des Wandlers direkt vom konventionellen Ultraschallsystem erfasst und zum BabyFace™-Minicomputer übertragen. Ein spezieller Bewegungs-"sensor" im Wandler ermittelt die Positionsdaten der erfassten 2D-Bilder. Diese Daten ermöglichen eine akkurate 3D-Volumenrekonstruktion und mit der robusten 3D-BabyFace™-Software eine qualitativ hochwertige Visualisierung. Der Nutzer kann das Bild gleichzeitig in 2D und 3D unmittelbar nach der Erfassung anschauen. Für die dreidimensionale Betrachtung eines bestimmten Ausschnittes aus dem 2D-Bild reicht ein Knopfdruck in der Benutzeroberfläche von BabyFace™.
Der Wandler
In Zusammenarbeit mit der Firma Sonora Medical Systems Inc. wurde ein hochentwickelter Bewegungssensor geschaffen, der in einem Standard-Ultraschallwandler integriert ist und somit an jedes konventionelle Ultraschallsystem angeschlossen werden kann. Durch die Integration des Sensors entfallen mechanische Beschränkungen hinsichtlich des Diagnoseverfahrens sowie Störungen durch elektromagnetische Interferenzen.
Die 2D-Bilder werden am Videoausgang des Ultraschallscanners erfasst und dann über einen Framegrabber in den Minicomputer digitalisiert" - erklärt Rom. "Parallel zur Bilddatenerfassung übermittelt der Bewegungssensor die relativen Positionsdaten der erfassten Bilder zum Computer. Diese Daten werden im Rechner durch unsere Software synchronisiert, das Ergebnis ist eine genaue 3D-Volumenrekonstruktion."
Der Computer
BabyFace™ nutzt die integrierte Bildverarbeitungsplattform von Matrox4Sight für die Erfüllung der Hostanforderungen. Mit der Software von BioMediCom läuft 4Sight unter dem Betriebssystem Windows NT und nutzt den (integrierten) Matrox Meteor-II Framegrabber für die Digitalisierung der am Videoausgang des Ultraschallsystems anstehenden 2D-Bilder.
Die industrietaugliche Matrox 4Sight Bildverarbeitungsplattform.
"4Sight bietet eine integrierte Lösung mit allen von uns benötigten Komponenten - CPU, Grafik on-board, Videoausgang und dem Meteor-II-Framegrabber - in einem extrem kompakten (8,2" x 7,25") und stabilen Gehäuse. Das ermöglichte uns die Schaffung eines System, das an nahezu jede Ultraschallanlage angepasst werden kann", betont Rom.
Die Software
Nach Dr. Ziv Soferman, Chefentwickler von BioMediCom und Erfinder der in BabyFace™ eingesetzten Bildverarbeitungsalgorithmen, war die größte Herausforderung bei der Entwicklung dieser Technologie das qualitativ hochwertige Rendering der verrauschten Ultraschallbilder.
"Aufgrund der prozessbedingten physikalischen Phänomene hat das Rauschen von Ultraschallbildern die Form von Speckles. Der Einsatz traditioneller Bildverarbeitungstechniken auf Ultraschallbilder ist daher ziemlich sinnlos. Unsere spezialisierten Segmentierungswerkzeuge sind in der Lage, die Specklenatur der Bilder zu überwinden und ausgewählte Gewebe oder Organe aus ihrer Umgebung zu isolieren", sagt Soferman.
BabyFace besteht aus einem proprietären Wandler für die Datenerfassung, einer hochspezialisierten 3D-Visualisierungssoftware und der Matrox4Sight Bildverarbeitungsplattform.
Segmentierung
Mit Hilfe einer halbautomatischen Segmentierungsmethode, die auf einer vom Benutzer vorgegebenen groben Kontur aufsetzt, unterstützen die Bildverarbeitungsalgorithmen von BioMediCom den Anwender bei der Auswahl interessanter Regionen (ROIs). Das System übernimmt die eingegebene Kontur (die das interessierende Gebiet umschließt) und passt sie an die tatsächlich im Bild vorhandenen Kanten an. Die so entstandene korrigierte Kontur dient als Muster für das nächste Bild. Das System versucht auf diese Weise, alle nachfolgenden Bilder automatisch zu segmentieren. Um Konturdrifts zu vermeiden, kann der Benutzer den Segmentierungsprozess zu jedem Zeitpunkt unterbrechen und die Grenzen manuell korrigieren.
"Unsere einzigartige algorithmische Annäherung an eine genaue Segmentierung beruht wesentlich auf der Detektion von Kanten. Durch die Hervorhebung der Kanten innerhalb des ROI kann ein Teil mehrfach unterbrochener Segmente selektiert und zu einer kontinuierlichen, optimalen Kontur verbunden werden. Bei der Ausbildung der Kontur wird der Algorithmus zudem vom Input des Mediziners geleitet", erklärt Soferman.
"Die Segmentierung ist schnell und effizient. Bei einer Bildgröße von 128 x 128 Bildpunkten (Pixel) können 10 Bilder je Sekunde segmentiert werden und bei einer Bildgröße von 255 x 255 Pixel sind es immer noch 3Bilder je Sekunde. Die Segmentierungsalgorithmen zeichnen sich durch eine sehr hohe Qualität aus, beispielsweise werden dort, wo Teile des ROI fehlen, Lücken in der Kontur automatisch ergänzt.
Visualisierung
Noch während des Segmentierungsprozesses werden die Daten dem für die Visualisierung zuständigen Softwaremodul übergeben. Es besteht aus einer Reihe von Visualisierungswerkzeugen, die sowohl ein hochwertiges Rendering als auch die interaktive Manipulation der gezeichneten Daten erlauben.
Die BabyFace-Software erzeugt qualitativ hochwertige 3D-Renderings von verrauschten 2D-Ultraschallbildern.
Zur Gewährleistung einer hohen Qualität und Visualisierungsgeschwindigkeit wird das klassische "ray tracing" eingesetzt. Die Ausbreitung der Strahlen wird vom Beobachtungspunkt durch die Bildebene in das 3D-Volumen berechnet, wobei die Voxelwerte entlang des Strahlweges akkumuliert werden, erklärt Soferman.
"Um den Prozess zu beschleunigen, werden zunächst die Schnittstellen der Strahlen mit einem den Fötus umschließenden Quader ermittelt. Von diesen Schnittpunkten ausgehend, wird der Strahlenweg solange verfolgt bis man auf einen Voxelwert trifft, der oberhalb eines benutzerdefinierten Schwellwertes liegt. Wegen des inhärenten Rauschens von Ultraschallbildern werden entlang des Strahlweges alle Voxelwerte akkumuliert. Die Akkumulation benutzt ein Wichtungsschema, das dem Transparenzwert jedes Voxels Rechnung trägt. Die Strahlverfolgung wird gestoppt, sobald ein bestimmter Opazitätswert erreicht wird. Der akkumulierte Wert wird schließlich über eine vordefinierte Lookup-Tabelle in eine Farbwert umgesetzt, so dass sich hieraus das endgültige 3D-Farbbild ergibt", sagt Soferman.
Die Zukunft von BabyFace™
BioMediCom - 1998 gegründet - installiert derzeit die Betaversion von BabyFace™ in einer Reihe von sorgfältig ausgewählten Testeinrichtungen. Das Produktrelease war im Sommer 2000.
"Unsere Planungen für die nächste Zukunft sehen vor, in BabyFace™ zusätzliche Messmöglichkeiten zu installieren. Das könnte für viele medizinische Anwendungen von Bedeutung sein", sagt Rom. "Weitere auf BabyFace™ basierende Anwendungen in der Kardiologie und der allgemeinen Radiologie werden in den kommenden Jahren folgen."
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