Både ultraljud för medicinsk avbildning och seismologi för avbildning av jordens inre mäter utbredningen av vågor genom materia. Till exempel, när seismiska vågor möter materiella skillnader i jordens inre, till exempel mellan olika bergformationer, reflekteras och bryts de vid sina gränssnitt. Som ett resultat ändras vågornas hastighet. Om forskare mäter dessa vågor på ytan kan de dra slutsatser om strukturen i jordens inre, samt bergarternas sammansättning och deras materialegenskaper som densitet, tryck eller temperatur.

Med hjälp av sofistikerade algoritmer och högpresterande datorer som Piz Daint vid CSCS kan forskare som ETH Zürichs Andreas Fichtner, professor vid Institute of Geophysics och chef för Seismology and Wave Physics Group, använda dessa vågdata för att karakterisera de tre -dimensionell struktur av jorden. Parallellerna till utbredning mellan ultraljud och jordbävningsvågor, liksom teamets kunskap inom vågfysikområdet – hur informationen som vågor bär kan användas och omvandlas till bilder – ledde till att ETH-professorn och hans grupp också studerade vågor förökning för medicinskt ultraljud.

Forskarna fortsätter att arbeta tillsammans med läkare vid universitetssjukhuset vid University Zürich för att vidareutveckla dessa tekniker. Om Marty under de kommande tre åren av sin doktorsavhandling lyckas vidareutveckla procedurerna för meshing och avbildning av hjärnan, kan samma metoder vara överförbara till andra delar av kroppen, såsom knän eller armbågar. Detta skulle fungera som en lovande grund för att utveckla en motsvarande ultraljudsapparat.

Patrick Marty, Ph.D. student i Fichtners grupp, utvecklar nu i sin doktorsavhandling en metod för att övervinna denna utmaning med stöd av Christian Böhm, senior forskare i Seismology and Wave Physics Group. Denna metod bör utgöra grunden för att avbilda hjärnan med ultraljud i hög upplösning, enligt forskarna.

För att simulera utbredningen av vågor genom hjärnan utvecklar forskarna algoritmer som utför många beräkningar över ett speciellt rutnät som kallas ett nät. Kärnan i detta är ett mjukvarupaket som heter Salvus. Utvecklat vid ETH Zürich med stöd av CSCS, modellerar Salvus utbredningen av hela vågfältet (helvågsform) över rumsliga skalor som sträcker sig från några millimeter till tusentals kilometer. ETH-seismologer använder denna programvara för att simulera seismiska vågor, till exempel för att utforska jordens eller Mars inre, och nu även för medicinsk avbildning. Programvarupaketet använder spektralelementmetoden (SEM), som är särskilt väl lämpad för att simulera vågutbredning i media med materialövergångar med hög kontrast—som mjuk hjärnvävnad och ben.

"Till skillnad från konventionellt ultraljud, som bara använder vågornas ankomsttid, använder vi hela våginformationen i våra simuleringar", säger Marty. Detta innebär att formen, frekvensen, hastigheten och amplituden för vågen vid varje punkt av dess utbredning strömmar in i beräkningarna.

Lär dig på en magnetisk resonansavbildningsskanner

För sin modell använder forskarna först en MRT av hjärnan som referens. Sedan, på superdatorn Piz Daint, utför de beräkningar med olika parametrar tills den simulerade bilden matchar den från MRI.

Med denna metod får de en kvantitativ bild istället för den mindre informativa gråskalebilden som är vanlig för konventionellt ultraljud. Genom att använda all information från hela vågfältet kan forskarna korrekt kartlägga mediets fysiska egenskaper – hastigheten med vilken ultraljudsvågor utbreder sig genom vävnaden, deras dämpande egenskaper och vävnadens densitet – vid varje punkt i vävnaden. hjärna. Detta gör det i slutändan möjligt att bestämma vävnadstypen och särskilja om det är en hjärnmassa eller tumörvävnad, till exempel, eftersom densiteten, dämpningen eller ljudhastigheten förknippad med de olika typerna av vävnader är känd från laboratorieförsök.

Forskarna är övertygade om att denna metod kan användas för att skilja frisk vävnad från sjuk vävnad samtidigt som den är både icke-invasiv och kostnadseffektiv. Specifikt skulle denna metod kunna matas in i en dator som är integrerad i en ultraljudsenhet speciellt utvecklad för detta ändamål. Datorn skulle utföra en serie beräkningar med hjälp av ultraljudssignaler som registrerats av sensorer, och resultatet skulle bli en 3D-bild av hjärnan som undersöks. Forskarna betonar dock att det fortfarande är en lång väg kvar tills detta kan komma in i klinisk praxis.

En särskild återstående utmaning är skallens komplexa geometri, på grund av ögon-, näs- och käkhåligheter etc., som måste modelleras exakt i simuleringen utan att dramatiskt öka beräkningstiden. För att lösa detta problem utvecklar Marty metoder som skapar individuella numeriska maskor för godtyckliga skalleformer av hexaedrar (små element som har sex ansikten). "Med dessa deformerade små kuber är vi 100 till 1000 gånger snabbare än om vi skulle arbeta med tetraedrar", säger Böhm. "Dessutom drar projektet stor nytta av nya utvecklingar inom grafikkort, som de vi har i Piz Daint och, i framtiden, i Alperna. De är idealiska för den här metoden."

Således arbetade forskargruppen för cirka sex år sedan tillsammans med läkare för att framgångsrikt utveckla ultraljudsmetoder för tidig upptäckt av bröstcancer. Teamet undersöker nu hur hjärnan kan undersökas med ultraljud. Med denna metod skulle forskarna och läkarna en dag kunna övervaka strokepatienter eller identifiera hjärntumörer, till exempel.

Icke-invasiv och kostnadseffektiv undersökning

Jämfört med datortomografi (CT) eller röntgen har ultraljud en avgörande fördel:proceduren är nästan helt ofarlig för kroppen. Dessutom är det mycket mer kostnadseffektivt än till exempel magnetisk resonanstomografi (MRT), och ultraljudsapparaterna är transporterbara för användning i avlägsna regioner. Problemet är dock att ultraljud hittills bara har fungerat bra för mjuka vävnader — det är mycket svårt att få ultraljudsvågor genom hårda strukturer som skallen, eftersom ben kraftigt reflekterar och dämpar vågorna. + Utforska vidare

Teoretisk modell som beskriver rörelsen av ultraljudsvågor i närvaro av flera bubblor