Beynin Ultrason Dalgalarıyla Görüntülenmesi
Özet: Beyin görüntüleme için ultrason teknolojisini kullanmak, diğer mevcut beyin görüntüleme yöntemlerinden daha az zararlı ve daha uygun maliyetli olabilir.
Kaynak: ETH Zürih
Hem tıbbi görüntüleme için ultrason hem de Dünya’nın içini görüntülemek için sismoloji, dalgaların madde boyunca yayılmasını ölçer. Örneğin, sismik dalgalar, farklı kaya oluşumları gibi Dünya’nın iç kısmında maddi farklılıklarla karşılaştığında, ara yüzeylerinde yansıtılır ve kırılır. Sonuç olarak, dalgaların hızı değişir.
Araştırmacılar bu dalgaları yüzeyde ölçerlerse, Dünya’nın iç yapısının yanı sıra kayaların bileşimi ve yoğunluk, basınç veya sıcaklık gibi malzeme özellikleri hakkında sonuçlar çıkarabilirler.
CSCS’deki “Piz Daint” gibi gelişmiş algoritmalar ve yüksek performanslı bilgisayarlar yardımıyla, ETH Zürih’ten Jeofizik Enstitüsü’nde profesör ve Sismoloji ve Dalga Fiziği Grubu başkanı Andreas Fichtner gibi araştırmacılar bu dalga verilerini Dünyanın üç boyutlu yapısını karakterize eder.
Ultrason ve deprem dalgaları arasındaki yayılmaya paralelliklerin yanı sıra ekibin dalga fiziği alanındaki bilgi birikimi (dalgaların taşıdığı bilgilerin nasıl kullanılıp görüntülere dönüştürülebileceği) ETH profesörü ve grubunu da çalışmaya yönlendirdi. tıbbi ultrason için dalga yayılımı.
Araştırmacılar, bu teknikleri daha da geliştirmek için Zürih Üniversitesi’nin üniversite hastanesindeki doktorlarla birlikte çalışmaya devam ediyor.
Marty, doktora tezinin sonraki üç yılında beyni ağ oluşturma ve görüntüleme prosedürlerini daha da geliştirmede başarılı olursa, bu aynı yöntemler dizler veya dirsekler gibi vücudun diğer bölümlerine de aktarılabilir.
Bu, karşılık gelen bir ultrason cihazı geliştirmek için umut verici bir temel olarak hizmet edecektir.
Fichtner’ın grubundaki doktora öğrencisi Patrick Marty, şimdi doktora tezinde Sismoloji ve Dalga Fiziği Grubunda kıdemli bilim adamı Christian Böhm’ün desteğiyle bu zorluğun üstesinden gelmek için bir yöntem geliştiriyor. Bilim adamlarına göre bu yöntem, beyni yüksek çözünürlükte ultrasonla görüntülemenin temelini oluşturmalıdır.
Dalgaların beyindeki yayılmasını simüle etmek için araştırmacılar, “ağ” olarak bilinen özel bir ızgara üzerinde birçok hesaplama yapan algoritmalar geliştiriyorlar. Bunun kalbinde Salvus adlı bir yazılım paketi var. ETH Zürih’te CSCS’nin desteğiyle geliştirilen Salvus, tüm dalga alanının (tam dalga biçimi) yayılmasını birkaç milimetreden binlerce kilometreye kadar değişen uzaysal ölçeklerde modeller.
ETH sismologları bu yazılımı sismik dalgaları simüle etmek için, örneğin Dünya’nın veya Mars’ın içini keşfetmek ve şimdi de tıbbi görüntüleme için kullanıyor.
Yazılım paketi, yumuşak beyin dokusu ve kemik gibi yüksek kontrastlı malzeme geçişlerine sahip ortamlarda dalga yayılımını simüle etmek için özellikle uygun olan spektral eleman yöntemini (SEM) kullanır.
Marty, “Yalnızca dalgaların varış zamanını kullanan geleneksel ultrasondan farklı olarak, simülasyonlarımızda tüm dalga bilgisini kullanıyoruz” diyor.
Bu, yayılımının her noktasında dalganın şeklinin, frekansının, hızının ve genliğinin hesaplamalara aktığı anlamına gelir.
Manyetik rezonans görüntüleme tarayıcısında öğrenme
Modelleri için, araştırmacılar önce referans olarak beynin bir MRI’sını kullanırlar. Ardından, “Piz Daint” süper bilgisayarında, simüle edilen görüntü MRI ile eşleşene kadar farklı parametrelerle hesaplamalar yaparlar.
Bu yöntemle, geleneksel ultrasonda yaygın olan daha az bilgilendirici gri tonlamalı görüntü yerine nicel bir görüntü elde ederler.
Araştırmacılar, tüm dalga alanından elde edilen tüm bilgileri kullanarak, ortamın fiziksel özelliklerini – ultrason dalgalarının dokuda yayılma hızı, sönümleme özellikleri ve dokunun yoğunluğu – her noktada doğru bir şekilde haritalayabilirler. beyin.
Bu, sonuçta doku tipini belirlemeyi ve bunun bir beyin kütlesi mi yoksa tümör dokusu mu olduğunu ayırt etmeyi mümkün kılar, çünkü örneğin, farklı doku türleri ile ilişkili yoğunluk, zayıflama veya ses hızı laboratuvar deneylerinden bilinir.
Araştırmacılar, bu yöntemin sağlıklı dokuyu hastalıklı dokudan ayırt etmek için kullanılabileceğine, aynı zamanda hem invaziv olmayan hem de uygun maliyetli olduğuna ikna olmuş durumdalar. Spesifik olarak, bu yöntem, bu amaç için özel olarak geliştirilmiş bir ultrason cihazına entegre edilmiş bir bilgisayara beslenebilir.
Bilgisayar, sensörler tarafından kaydedilen ultrason sinyallerini kullanarak bir dizi hesaplama yapacak ve sonuç, incelenen beynin 3 boyutlu bir görüntüsü olacaktır. Ancak araştırmacılar, bunun klinik pratiğe girebilmesi için daha alınması gereken uzun bir yol olduğunu vurguluyor.
Geriye kalan belirli bir zorluk, hesaplama süresini önemli ölçüde artırmadan simülasyonda tam olarak modellenmesi gereken göz, burun ve çene boşlukları vb. nedeniyle kafatasının karmaşık geometrisidir.
Bu sorunu çözmek için Marty, altı yüzlü (altı yüzü olan küçük öğeler) dışında rastgele kafatası şekilleri için bireysel sayısal ağlar oluşturan yöntemler geliştiriyor.
Ayrıca bakınız
Böhm, “Bu deforme olmuş küçük küplerle, dörtyüzlülerle çalışmaktan 100 ila 1000 kat daha hızlıyız” diyor.
“Ayrıca proje, ‘Piz Daint’te ve gelecekte ‘Alps’te yaptığımız gibi grafik kartlarındaki yeni gelişmelerden büyük ölçüde faydalanıyor. Bu yöntem için idealdirler.”
Bu nedenle, yaklaşık 6 yıl önce araştırma grubu, meme kanserinin erken teşhisi için ultrason yöntemlerini başarılı bir şekilde geliştirmek için doktorlarla birlikte çalıştı. Ekip şimdi beynin ultrasonla nasıl incelenebileceğini araştırıyor. Bu yöntemle, araştırmacılar ve doktorlar örneğin bir gün felçli hastaları izleyebilir veya beyin tümörlerini belirleyebilir.
Non-invaziv ve uygun maliyetli muayene
Bilgisayarlı tomografi (BT) veya X-ışınları ile karşılaştırıldığında, ultrasonun belirleyici bir avantajı vardır: prosedür vücuda neredeyse tamamen zararsızdır. Ayrıca, örneğin manyetik rezonans görüntülemeden (MRI) çok daha uygun maliyetlidir ve ultrason cihazları uzak bölgelerde kullanım için taşınabilir.
Ancak sorun şu ki, ultrason şimdiye kadar sadece yumuşak dokular için iyi çalıştı – kafatası gibi sert yapılar aracılığıyla ultrason dalgaları elde etmek çok zordur, çünkü kemik dalgaları güçlü bir şekilde yansıtır ve sönümler.
Bu beyin görüntüleme araştırma haberleri hakkında
Yazar: Simone Ulmer
Kaynak: CSCS
İletişim: Peter Rueegg – ETH Zürih
Resim: Görüntü Marty, P. et al.
Orjinal araştırma: Kapalı erişim.
Marty, P. et al. Tıbbi Görüntüleme Fiziği
Soyut
Uyumlu altı yüzlü ağlar kullanarak yumuşak doku-kemik etkileşimlerinin tam dalga biçimli ultrason modellemesi
Tam dalga formu modellemesi, ultrason bilgisayarlı tomografide ortaya çıkan birçok inversiyon tekniğinin temeli olarak hizmet eder. Yumuşak doku ve kemik gibi güçlü malzeme arayüzlerini doğru bir şekilde gösterebilmek, bu sayısal yöntemlerin fiziksel olarak doğru sonuçlar vermesini sağlamak için özellikle önemlidir.
Bu keskin malzeme sınırlarında ultrason dalga alanının etkileşimlerini doğru bir şekilde modellemek için spektral eleman yöntemiyle birlikte kullanılan uyumlu altı yüzlü ağlar kullanarak insan vücudunun çeşitli bölümlerinin dijital ikizlerini oluşturmak için bir prosedür sunuyoruz. Silico’da kraniyal ve diz fantomları örnek olarak kullanılmaktadır.
