Fotorealistisk visualisering av hjertet Fremtidens 3D ultralydavbildning

Ultralyd er i dag den mest anvendte avbildningsmodaliteten for hjerteundersøkelser. Ultralyd er kostnadseffektiv, avbildningen er i sanntid og har ingen skadelig stråling. Ulempen med ultralydavbildning er at bildekvaliteten varierer sterkt mellom ulike pasienter. Bildekvaliteten påvirkes også av hvor dyktig operatøren er til å bruke systemet. Hovedhensikten med prosjektet har vært å utvikle teknologi og metoder som danner grunnlaget for en helt ny generasjon diagnostiske 3D ultralydscannere der avbildning av hjertet i mye større grad er pasient- og operatøruavhengig. I tidligere 3D ultralydsystemer er rekonstruksjon av ultralydbildene implementert i hardware. En vesentlig del av prosjektet har vært å utvikle en ny type systemarkitektur der rekonstruksjon av 3D bildene er vesentlig mer fleksibel. Det er her mange utfordringer knyttet til å prosessere store datamengder i sanntid. I løpet av prosjektet har vi utviklet en maskinvarearkitektur som består av ny maskinvare for innsamling av data koblet til en ny kraftig industriell PC med en flerkjernet CPU og to grafikkkort. Vi har også utviklet en fleksibel programvarearkitektur som består av en rekonfigurerbar kjede av prosesseringsmoduler. I en av modulene har vi implementert to nye metoder for rekonstruksjon av bildene. Den ene metoden kombinerer kanaldata fra flere ulike overlappende senderstråler for å skape et bilde som er retrospektivt fokusert i hvert eneste pixel. Den andre metoden analyserer dataene for å finne ut om et pixel er fra en struktur eller ikke. Den nye arkitekturen har blitt integrert i en ny ultralydscanner som ble lansert i juni 2015. De to nye metodene har blitt validert av ledende ultralydspesialister i USA og Europa og har vist seg å gjøre det lettere for legene å diagnostisere pasienter som er vanskelige å avbilde. I hjerteavbildning sendes ultralydstrålene gjennom ulike typer vev med forskjellige lydhastigheter. Vevet er i tillegg i bevegelse. Dette tar ikke dagens ultralydsystemer hensyn til. En av de store utfordringene i prosjektet har vært å komme fram til en sanntids-metode for ultralydrekonstruksjon som effektivt kompenserer for forskjellene i lydhastighet. I prosjektet har vi fått gode resultater også på dette området. Ultralydavbildning har også spesielle problemer knyttet til lavt signal-støy forhold, signal dropouts og regionale variasjoner i vevssignalet. En sentral del av prosjektet har derfor vært å finne fram til nye metoder som automatisk reduserer støy, fyller inn dropouts og kompenserer for de regionale forskjellene. I prosjektet har vi sett på en lang rekke metoder for å håndtere disse problemene. Tre nye metoder er utviklet: Et effektivt 3D filter som reduserer speckle og forsterker kanter ble utviklet og senere integrert i den nye scanneren. Videre har vi utviklet en metode kalt "Multiskala Non-Local-Means" og denne er enda mer effektiv når det gjelder reduksjon av speckle. En tredje metode som først estimerer lokal orientering av strukturer i bildet og senere bruker dette til å gjøre adaptiv filtrering og strukturforsterkning er også utviklet. Orienteringsestimatet er robust og har vist å kunne forsterke strukturer også i tilfeller av dårlig bildekvalitet. Vi har også sett på metoder som utnytter tidsinformasjon i dataene både i 2D og 3D. Flere metoder som søker å estimere bevegelsen til ulike struktur er er undersøkt og to nye metoder utviklet. De nye metodene kan utnyttes både til å forbedre tidsoppløsningen i dataene samt å forbedre teknikker for temporal støyfiltrering. I den forbindelse har vi også sett på objektive kriterier for å vurdere egenskapene til metodene som blir utviklet. Den siste delen av prosjektet har tatt for seg problemstillinger knyttet til visualisering av 3D ultralydbildene. Dagens visualiseringsteknikker er krevende å stille inn og gir ofte bilder som er vanskelige å tolke. Utfordringene har vært å finne robuste og effektive metoder som gir fotorealistiske gjengivelser med høy diagnostisk verdi. I prosjektets har vi undersøkt metoder som kombinerer farger og skyggelegging på en slik måte at det skal være lettere å oppfatte strukturer og avstander mellom ulike strukturer i volumet. I tillegg har vi sett på metoder for lysrefleksjoner som vi har kombinert med skyggeleggingsmetodene. I det siste har vi sett på hvordan vi kan forbedre kontrasten i disse bildene. Disse metodene har nå blitt integrert i det nye ultralydsystemet og de har blitt validert av ledende eksperter i USA og Europa. De har vist seg å gi langt bedre 3D bildekvalitet med flere klinisk relevante detaljer. Vi har også sett på måter å forbedre visualisering av blodstrøm i hjertet. Dette har resultert i mer informative og intuitive måter å visualisere blodstrøm i hjertet.

Ultralyd er i dag den mest anvendte avbildningsmodaliteten for hjerteundersøkelser. Ultralyd er kostnadseffektiv, avbildningen er i sanntid og har ingen skadelig stråling. Ulempen med ultralydavbildning er at bildekvaliteten varierer sterkt mellom ulike p asienter. Bildekvaliteten påvirkes også av hvor dyktig operatøren er til å bruke systemet. Hovedhensikten med prosjektet er å utvikle teknologi og metoder som danner grunnlaget for en helt ny generasjon diagnostiske 3D ultralydscannere der avbildning av hjertet i mye større grad er pasient- og operatøruavhengig. I dagens 3D ultralydsystemer er rekonstruksjon av ultralydbildene implementert i lite fleksibel hardware. En vesentlig del av prosjektet er å utvikle en ny type systemarkitektur der rekonstruks jon av 3D bildene er mye mer fleksibel. Det er her mange utfordringer knyttet til å prosessere store datamengder i sanntid. I hjerteavbildning sendes ultralydstrålene gjennom ulike typer vev med forskjellige lydhastigheter og vevet er i tillegg i bevege lse. Dette tar ikke dagens ultralydsystemer hensyn til. En av de store utfordringene i prosjektet vil være å komme fram til en sanntids-metode for ultralydrekonstruksjon som effektivt kompenserer for forskjellene i lydhastighet. Ultralydavbildning har ogs å spesielle problemer knyttet til lavt signal-støy forhold, signal dropouts og regionale variasjoner i vevssignalet. En sentral del av prosjektet er derfor å finne fram til nye metoder som automatisk reduserer støy, fyller inn dropouts og kompenserer for de regionale forskjellene. Den siste delen av prosjektet vil ta for seg problemstillinger knyttet til visualisering av 3D ultralydbildene. Dagens visualiseringsteknikker er krevende å stille inn og gir ofte bilder som er vanskelige å tolke. Utfordringene her er å finne robuste og effektive metoder som gir fotorealistiske gjengivelser med høy diagnostisk verdi. Prosjektet har stort potensiale for å skape en revolusjon innen 3D ultralyd.