Zowel echografie voor medische beeldvorming als seismologie voor beeldvorming van het binnenste van de aarde meten de voortplanting van golven door materie. Wanneer seismische golven bijvoorbeeld materiële verschillen tegenkomen in het binnenste van de aarde, zoals tussen verschillende rotsformaties, worden ze gereflecteerd en gebroken op hun grensvlakken. Als gevolg hiervan verandert de snelheid van de golven. Als onderzoekers deze golven aan het oppervlak meten, kunnen ze conclusies trekken over de structuur van het binnenste van de aarde, maar ook over de samenstelling van de rotsen en hun materiaaleigenschappen zoals dichtheid, druk of temperatuur.

Met behulp van geavanceerde algoritmen en krachtige computers zoals Piz Daint van CSCS, kunnen onderzoekers zoals Andreas Fichtner van ETH Zürich, professor aan het Institute of Geophysics en hoofd van de Seismology and Wave Physics Group, deze golfgegevens gebruiken om de drie te karakteriseren. -dimensionale structuur van de aarde. De parallellen met de voortplanting tussen ultrasone golven en aardbevingsgolven, evenals de knowhow van het team op het gebied van golffysica - hoe de informatie die golven dragen kan worden gebruikt en omgezet in beelden - bracht de ETH-professor en zijn groep ertoe om ook golf te bestuderen. propagatie voor medische echografie.

De onderzoekers blijven samenwerken met artsen van het academisch ziekenhuis van de universiteit van Zürich om deze technieken verder te ontwikkelen. Als Marty er in de komende drie jaar van zijn proefschrift in slaagt om de procedures voor meshing en beeldvorming van de hersenen verder te ontwikkelen, kunnen deze zelfde methoden overdraagbaar zijn naar andere delen van het lichaam, zoals knieën of ellebogen. Dit zou een veelbelovende basis zijn voor de ontwikkeling van een bijbehorend ultrageluidapparaat.

Patrick Marty, Ph.D. student in de groep van Fichtner, ontwikkelt nu in zijn proefschrift een methode om deze uitdaging te overwinnen met de steun van Christian Böhm, senior wetenschapper in de Seismology and Wave Physics Group. Deze methode moet volgens de wetenschappers de basis vormen voor het in beeld brengen van de hersenen met ultrageluid in hoge resolutie.

Om de voortplanting van golven door de hersenen te simuleren, ontwikkelen de onderzoekers algoritmen die veel berekeningen uitvoeren over een speciaal raster dat bekend staat als een mesh. De kern hiervan is een softwarepakket genaamd Salvus. Salvus, ontwikkeld aan de ETH Zürich met de steun van CSCS, modelleert de voortplanting van het volledige golfveld (volledige golfvorm) over ruimtelijke schalen variërend van enkele millimeters tot duizenden kilometers. ETH-seismologen gebruiken deze software om seismische golven te simuleren, bijvoorbeeld om het binnenste van de aarde of Mars te verkennen, en nu ook voor medische beeldvorming. Het softwarepakket maakt gebruik van de spectrale elementmethode (SEM), die bijzonder geschikt is voor het simuleren van golfvoortplanting in media met contrastrijke materiaalovergangen, zoals zacht hersenweefsel en bot.

"In tegenstelling tot conventionele echografie, die alleen de aankomsttijd van de golven gebruikt, gebruiken we de volledige golfinformatie in onze simulaties", zegt Marty. Dit betekent dat de vorm, frequentie, snelheid en amplitude van de golf op elk punt van zijn voortplanting in de berekeningen vloeien.

Leren op een scanner voor magnetische resonantiebeeldvorming

Voor hun model gebruiken de onderzoekers eerst een MRI van de hersenen als referentie. Vervolgens voeren ze op de Piz Daint-supercomputer berekeningen uit met verschillende parameters totdat het gesimuleerde beeld overeenkomt met dat van de MRI.

Met deze methode verkrijgen ze een kwantitatief beeld in plaats van het minder informatieve grijswaardenbeeld dat gebruikelijk is bij conventionele echografie. Door alle informatie uit het volledige golfveld te gebruiken, kunnen de onderzoekers de fysieke eigenschappen van het medium - de snelheid waarmee ultrasone golven zich door het weefsel voortplanten, hun dempende eigenschappen en de dichtheid van het weefsel - op elk punt in de brein. Dit maakt het uiteindelijk mogelijk om het weefseltype te bepalen en te onderscheiden of het bijvoorbeeld een hersenmassa of tumorweefsel is, aangezien de dichtheid, demping of geluidssnelheid die bij de verschillende soorten weefsels hoort, bekend is uit laboratoriumexperimenten.

De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat deze methode kan worden gebruikt om gezond weefsel van ziek weefsel te onderscheiden, terwijl het niet-invasief en kosteneffectief is. Concreet zou deze methode ingevoerd kunnen worden in een computer die geïntegreerd is in een speciaal hiervoor ontwikkeld ultrasoonapparaat. De computer zou een reeks berekeningen uitvoeren met behulp van de ultrasone signalen die door sensoren worden geregistreerd, en het resultaat zou een 3D-beeld zijn van de hersenen die worden onderzocht. De onderzoekers benadrukken echter dat er nog een lange weg te gaan is voordat dit in de klinische praktijk kan komen.

Een bijzondere resterende uitdaging is de complexe geometrie van de schedel, als gevolg van oog-, neus- en kaakholten enz., die nauwkeurig in de simulatie moeten worden gemodelleerd zonder de rekentijd drastisch te verhogen. Om dit probleem op te lossen, ontwikkelt Marty methoden die individuele numerieke mazen maken voor willekeurige schedelvormen uit hexaëders (kleine elementen met zes vlakken). "Met deze vervormde kleine kubussen zijn we 100 tot 1000 keer sneller dan wanneer we met tetraëders zouden werken", zegt Böhm. "Bovendien profiteert het project enorm van nieuwe ontwikkelingen op het gebied van grafische kaarten, zoals die we hebben in Piz Daint en, in de toekomst, in de Alpen. Ze zijn ideaal voor deze methode."

Zo werkte de onderzoeksgroep zo'n zes jaar geleden samen met artsen om met succes ultrasone methoden te ontwikkelen voor de vroege opsporing van borstkanker. Het team onderzoekt nu hoe de hersenen met echografie kunnen worden onderzocht. Met deze methode zouden de onderzoekers en artsen ooit patiënten met een beroerte kunnen monitoren of bijvoorbeeld hersentumoren kunnen identificeren.

Niet-invasief en kosteneffectief onderzoek

In vergelijking met computertomografie (CT) of röntgenfoto's heeft echografie een beslissend voordeel:de procedure is bijna volledig onschadelijk voor het lichaam. Bovendien is het veel kosteneffectiever dan bijvoorbeeld magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), en zijn de ultrasone apparaten transporteerbaar voor gebruik in afgelegen gebieden. Het probleem is echter dat ultrageluid tot nu toe alleen goed heeft gewerkt voor zachte weefsels - het is erg moeilijk om ultrageluidsgolven door harde structuren zoals de schedel te krijgen, omdat bot de golven sterk weerkaatst en dempt. + Verder verkennen

Theoretisch model dat de beweging van ultrasone golven beschrijft in aanwezigheid van meerdere bellen