Визуализация мозга с помощью ультразвуковых волн
Параллели с распространением ультразвука и волн землетрясения, а также ноу-хау группы в области волновой физики — как информация, которую несут волны, может использоваться и преобразовываться в изображения — побудили профессора ETH и его группу также изучать волны для медицинского ультразвука.
Слева: шестигранная конечно-элементная сетка черепа и мозга. Справа: снимок итогового ультразвукового моделирования. Синий диск на обоих изображениях представляет собой источник ультразвука. Предоставлено: Медицинская визуализация 2022: Физика медицинской визуализации (2022). DOI: 10.1117/12.2611548 / ETH Zurich / CSCS
И ультразвук для медицинской визуализации, и сейсмология для визуализации недр Земли измеряют распространение волн через вещество. Например, когда сейсмические волны сталкиваются с материальными различиями внутри Земли, например, между различными горными породами, они отражаются и преломляются на их границах раздела. В результате меняется скорость волн. Если исследователи измерят эти волны на поверхности, они смогут сделать выводы о структуре недр Земли, а также о составе горных пород и их материальных свойствах, таких как плотность, давление или температура.
С помощью сложных алгоритмов и высокопроизводительных компьютеров, таких как Piz Daint в CSCS, такие исследователи, как Андреас Фихтнер из ETH Zurich, профессор Института геофизики и глава группы сейсмологии и физики волн, могут использовать эти волновые данные для описания трех объемная структура Земли. Параллели с распространением ультразвука и волн землетрясения, а также ноу-хау группы в области волновой физики — как информация, которую несут волны, может использоваться и преобразовываться в изображения — побудили профессора ETH и его группу также изучать волны для медицинского ультразвука.
Исследователи продолжают работать вместе с врачами университетской больницы Цюрихского университета для дальнейшего развития этих методов. Если Марти удастся в течение следующих трех лет работы над докторской диссертацией в дальнейшей разработке процедур создания сетки и визуализации мозга, эти же методы можно будет перенести на другие части тела, такие как колени или локти. Это послужит перспективной основой для разработки соответствующего ультразвукового прибора.
Патрик Марти, доктор философии, студент группы Фихтнера, в настоящее время разрабатывает в своей докторской диссертации метод преодоления этой проблемы при поддержке Кристиана Бема, старшего научного сотрудника группы сейсмологии и волновой физики. По мнению ученых, этот метод должен стать основой для визуализации мозга с помощью ультразвука в высоком разрешении.
Чтобы смоделировать распространение волн через мозг, исследователи разрабатывают алгоритмы, которые выполняют множество вычислений по специальной сетке, известной как сетка. В основе этого лежит программный пакет под названием Salvus. Разработанный в ETH Zurich при поддержке CSCS, Salvus моделирует распространение полного волнового поля (полноволновой формы) в пространственных масштабах от нескольких миллиметров до тысяч километров. Сейсмологи ETH используют это программное обеспечение для имитации сейсмических волн, например, для исследования недр Земли или Марса, а теперь и для медицинских изображений. Программный пакет использует метод спектральных элементов (SEM), который особенно хорошо подходит для моделирования распространения волн в средах с высококонтрастными переходами между материалами, такими как мягкие мозговые ткани и кости.
«В отличие от обычного ультразвука, который использует только время прибытия волн, мы используем всю информацию о волнах в наших симуляциях», — говорит Марти. Это означает, что при расчетах учитываются форма, частота, скорость и амплитуда волны в каждой точке ее распространения.
Слева: шестигранная конечно-элементная сетка черепа и мозга. Справа: снимок итогового ультразвукового моделирования. Синий диск на обоих изображениях представляет собой источник ультразвука. Кредит: Марти, П. и др. Медицинская визуализация 2022: Физика медицинской визуализации; 120313H (2022) / ETH Zurich / CSCS Шестигранная конечно-элементная сетка черепа. Крупные планы демонстрируют эффективность этой стратегии создания сетки для работы со сложной геометрией. Кредит: Визуализация от: Marty, P. et al. Медицинская визуализация 2022: Физика медицинской визуализации ; 120313H (2022)
Обучение на магнитно-резонансном томографе
Для своей модели исследователи сначала используют МРТ головного мозга в качестве эталона. Затем на суперкомпьютере Piz Daint проводят расчеты с разными параметрами до тех пор, пока смоделированное изображение не совпадет с МРТ.
С помощью этого метода они получают количественное изображение вместо менее информативного изображения в оттенках серого, характерного для обычного ультразвука. Используя всю информацию из полного волнового поля, исследователи могут правильно отобразить физические свойства среды — скорость, с которой ультразвуковые волны распространяются через ткань, их демпфирующие свойства и плотность ткани — в каждой точке области мозга. В конечном итоге это позволяет определить тип ткани и отличить, например, является ли это массой головного мозга или опухолевой тканью, поскольку плотность, затухание или скорость звука, связанные с различными типами тканей, известны из лабораторных экспериментов.
Исследователи убеждены, что этот метод можно использовать для отделения здоровой ткани от пораженной, при этом он является неинвазивным и экономически эффективным. В частности, этот метод может быть введен в компьютер, встроенный в ультразвуковой аппарат, специально разработанный для этой цели. Компьютер будет выполнять серию вычислений, используя ультразвуковые сигналы, зарегистрированные датчиками, и результатом будет трехмерное изображение исследуемого мозга. Однако исследователи подчеркивают, что до того, как это войдет в клиническую практику, еще далеко.
Моделирование ультразвуковых волн, которое показывает, как ультразвуковые волны распространяются через мозг. Цветная полоса показывает скорость звука в различных тканях черепа и головного мозга. Авторы и права: Визуализация: ETH Zurich / исследовательская группа Андреас Фихтнер.
Особой остающейся проблемой является сложная геометрия черепа из-за глазных, носовых и челюстных полостей и т. Д., Которая должна быть точно смоделирована в моделировании без значительного увеличения времени вычислений. Чтобы решить эту проблему, Марти разрабатывает методы, которые создают индивидуальные числовые сетки для произвольных форм черепа из гексаэдров (маленьких элементов с шестью гранями). «С этими деформированными маленькими кубиками мы работаем в 100–1000 раз быстрее, чем если бы работали с тетраэдрами», — говорит Бём. «Кроме того, проект значительно выигрывает от новых разработок графических карт , таких как те, что есть у нас в Piz Daint и, в будущем, в Альпах. Они идеально подходят для этого метода».
Так, около шести лет назад исследовательская группа работала с врачами над успешной разработкой ультразвуковых методов для раннего выявления рака молочной железы. В настоящее время команда исследует, как можно исследовать мозг с помощью ультразвука. С помощью этого метода исследователи и врачи смогут в один прекрасный день наблюдать за пациентами, перенесшими инсульт, или, например, выявлять опухоли головного мозга.
Неинвазивное и экономичное обследование
По сравнению с компьютерной томографией (КТ) или рентгеном УЗИ имеет решающее преимущество: процедура практически полностью безвредна для организма. Кроме того, это гораздо более рентабельно, чем, например, магнитно-резонансная томография (МРТ), а ультразвуковые аппараты можно транспортировать для использования в отдаленных регионах. Проблема, однако, в том, что ультразвук до сих пор хорошо работал только для мягких тканей — очень трудно провести ультразвуковые волны через твердые структуры, такие как череп, потому что кость сильно отражает и гасит волны.
