Neuartiger Ansatz verbessert die Auflösung in Ultraschallbildern

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben eine neue matrixunterstützte Bildgebungsmethode entwickelt, die über verschiedene potenzielle Anwendungsmöglichkeiten verfügt – von der biomedizinischen Diagnostik bis zur Seismologie.

Gesundheit

© Roman Zaiets, Shutterstock

Die bildgebende Diagnostik durch Ultraschall nutzt die Reflexion von Wellen, um Bilder vom Weichteilgewebe im Körper zu erzeugen. Inhärente Variationen in der Struktur des Weichteilgewebes können jedoch herkömmliche Wellenfronten des Ultraschalls verzerren, was wiederum zu einer Unschärfe in den Bildern führt, die sich nachteilig auf die medizinische Diagnosestellung auswirken kann. Mit Unterstützung der EU-finanzierten Projekte REMINISCENCE (REflection Matrix ImagiNg In wave SCiENCE) und SMART (Scattering Matrix Approach in Reflection applied to Turbid media) hat ein Forschungsteam eine neue nicht-invasive Ultraschallmethode entwickelt, die dieses Problem der verminderten Bildqualität beseitigt.

Die Forschenden haben einen universellen Matrixansatz für die Wellenbildgebung eingesetzt, der von einem Multi-Sensor-Netzwerk gesteuert wird. Die Details ihrer Technik wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review X“ (PRX) veröffentlicht. Des Weiteren wurden die Ergebnisse der Studie in der wissenschaftlichen Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlicht.

Unter Bezugnahme auf den Artikel im wissenschaftlichen Journal PNAS heißt es in einer Pressemitteilung des REMINISCENCE-Projektleiters und SMART-Projektkoordinators, dem französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS), dass „die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gezeigt haben, wie diese neue Methode die Verzerrungen, die eine fokussierte Welle auf ihrem Weg durch das untersuchte Gewebe erfährt, auf geschickte Weise kompensieren kann, und eine ideale Auflösung und einen für jedes Pixel im Bild optimierten Kontrast bietet.“

Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten

In der Pressemitteilung des CNRS heißt es dazu weiter: „Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der biomedizinischen Diagnostik über die optische Mikroskopie und die Erkennung von Rissen in Industriematerialien bis hin zur Überwachung von Vulkanen und Verwerfungszonen in der Geophysik.“ In dem Artikel der PRX betonen die Forschenden, dass das Potenzial ihrer Arbeit über die Ultraschallbildgebung hinausgeht. „Der experimentelle Nachweis der Machbarkeit wird mit Ultraschallwellen durchgeführt, aber dieser Ansatz kann auf jedes Gebiet der Wellenphysik übertragen werden, für das eine Multi-Element-Technologie verfügbar ist. Das Konzept besteht darin, dass das Bilden eines fokussierten Strahls die Synthese einer Reihe virtueller Wandler beim Senden und Empfangen ermöglicht, die das gesamte abzubildende Medium zeigen.“ Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kommen zu dem Schluss, dass ihr Matrixansatz „auf jede Art von System angewendet werden kann, für das die Emission und Detektion von Wellen auf kontrollierbare Weise variiert werden kann.“ Sie glauben, dass diese neue Methode „direkte Auswirkungen auf viele Bereiche der Wellenphysik hat, einschließlich optischer Mikroskopie, Radar und Seismologie.“

Das laufende Projekt REMINISCENCE, das die Studie unterstützt hat, endet im Mai 2024. Es wurde ins Leben gerufen, um letzten Endes eine „Informationstheorie der Wellenbildgebung“ zu entwickeln, wie im Informationsblatt des Projekts erläutert wird. Neben „direkten Anwendungen in der Bildgebung wird dieses Projekt auch eine hochauflösende Tomographie der Wellengeschwindigkeit und ein vielversprechendes Instrument zur Charakterisierung auf der Grundlage der Quantifizierung der Mehrfachstreuung darstellen.“

Das Projekt SMART lief von 2017 bis 2019. Der Schwerpunkt des Projekts lag auf der „Mehrfachstreuung und Verzerrung klassischer Wellen mit dem Ziel, die Bildgebung und Charakterisierung komplexer biologischer Materialien zu verbessern“, wie in der CORDIS-Berichterstattung beschrieben wird. Die Projektbeteiligten sind der Ansicht, dass die im Projekt SMART verwendeten Ansätze zur Verbesserung der biologischen Bildgebung beigetragen haben, wie beispielsweise bei der Bildgebung vom menschlichen Auge und von der Haut. „Insbesondere haben wir neuartige Bildgebungsmodalitäten – bestehend aus fokussierten Kriterien für die Ermöglichung der Brechungsindex-Tomographie – und die Quantifizierung der Mehrfachstreuung eingeführt.“

Weitere Informationen:
Projekt REMINISCENCE
Projekt SMART

Schlüsselbegriffe

REMINISCENCE, SMART, Ultraschall, matrixunterstütze Bildgebung, biomedizinische Diagnostik