ZONE SONOGRAPHY™: What It Is and How It`s Di
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TE CHNOLOGIE -UPDATE ZONE SONOGRAPHY™: What It Is and How It’s Different Von Dr. Glen W. McLaughlin, Ph.D., Chief Technology Officer von ZONARE Medical Systems, Inc. Zone Sonography ist ein fundamental neuer Ansatz für die Datenakquisition und -Verarbeitung zur Erstellung von Ultraschallbildern. Datenerfassung Konventionell Konventionell Zone Sonography™ Zone Sonography™ Konventionelle Systeme erfassen akustische Daten Zeile für Zeile und fokussieren diese mittels eines Beamformers. Damit wird jedoch nur ein Bruchteil der tatsächlich in jedem Echodatensatz enthaltenen Informationen genutzt. Zone Sonography hingegen kann alle Informationen der empfangenen Echodatensätze verwerten und erstellt somit Bilder mit wesentlich weniger Sende- und Empfangszyklen. Es ist offensichtlich effizienter, gleichzeitig Daten aus größeren Regionen zu erfassen. Dennoch erschließt es sich nicht von selbst, dass weniger Akquisitionen eine bessere Bildqualität zur Folge haben. Durch die Aufbaudauer Aufbaudauer des Ultraschallbilds des Ultraschallbilds Möglichkeit der retrospektiven Analyse der vollständigen Echoinformationen, hat Zone Sonography diesen Leistungsvorteil: so kann kontinuierlich für jeden einzelnen Bildpunkt ein Sendefokus aufgebaut werden. Die wichtigsten Parameter zur Steigerung der Bildqualität: 1. Fokussiertes Bild über die gesamte Abbildungstiefe Aufbaudauer Aufbaudauer des Ultraschallbilds des Ultraschallbilds Gewonnene Gewonnene Zeit für Zeit für erweiterte erweiterte Modi Modi Erfassung Zeile Erfassung für Zeile Zeile für Zeile Faktor 10 Erfassung großer Erfassung Zonen großer Zonen Hardware-basiert Hardware-basiert Kosteneffiziente Kosteneffiziente Upgrades Upgrades Software-basiert Software-basiert Faktor 10 Daten werden Daten verworfen werden verworfen Daten werden Daten gespeichert werden gespeichert a. Dynamische Sende-/Empfangsfokussierung (jeder Bildpunkt im Bild ist im Fokus) Kompromiss Kompromiss zwischen Bildqualität zwischen Bildqualität Premium-Bildqualität Premium-Bildqualität und Flexibilität und Flexibilität und Flexibilität und Flexibilität ohne Kompromisse ohne Kompromisse − Keine Kontrolle der Sendefokuszone erforderlich (und folglich keine Kompromisse bei der Bildrate) b. Verbesserungen in Auflösung, Gleichförmigkeit, Kontrast und AbLeistungsfähigkeit hängt von der Verarbeitung ab, nicht von physikabildungstiefe lischen Eigenschaften 2. Schnellere Erfassung der akustischen Daten a. Zeitgenauigkeit (reduzierte Bewegungsartefakte) b. Akustische Zeit bleibt zur Verfügung: kompromisslose Nutzung weiterer Modalitäten 3. Patientenspezifische Bildgebung a. Kompensation physiologisch bedingter Variationen der Schallgeschwindigkeit im Körper durch Kalibrierung auf den Patienten 4. Neue Technologien a. Compound Contrast Imaging b. Flexible Bildgebungsformate (z.B. Phased/Linear Array-Imaging mit Curved Array-Schallsonden) ZONEN-AKQUISITION IM VERGLEICH ZUR ZEILENWEISEN ERFASSUNG: AKUSTISCHE EFFIZIENZ Die Zonen-Akquisition extrahiert mehr Informationen aus jedem Sende-/Empfangszyklus und ist damit effizienter. Schnellere Datenerfassung Ungeachtet der jeweiligen Ausstattung erzeugen alle konventionellen Ultraschallgeräte nur einen oder wenige Empfangsstrahlen aus jedem Sendeimpuls. Zone Sonography hingegen fragt eine relativ geringe Zahl großer Zonen ab, extrahiert jedoch pro Akquise deutlich mehr Informationen. Durch die kontinuierliche Sendefokussierung (CTF Continuous Transmit Focus) erübrigt sich die Notwendigkeit für mehrere Sendefokuszonen. Da die Geschwindigkeit, mit der sich der Schall durch das Gewebe bewegt, eine physikalische Konstante ist, ist die Zeit für die Erfassung der akustischen Informationen durch die geringe Zahl großer Zonen mit Zone Sonography deutlich kürzer. Mit Zone Sonography ist nicht mehr die akustische Datenerfassung (abhängig von den Grenzen der Physik) die Limitante, sondern die Leistung der verfügbaren Prozessoren für die Verarbeitung (abhängig von den aktuellen technologischen Möglichkeiten). Ein schneller akustischer „Schnappschuss“ des Patienten wird in einem Channel Domain Memory gespeichert und später zur Bildgebung retrospektiv herangezogen. So verbessert sich die Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit von Weiterentwicklungen der Prozessortechnologie. CHANNEL DOMAIN PROCESSING™: FLEXIBILITÄT Ein flexibler Software-basierter Channel Domain Processor™ erfasst einen kompletten Echodatensatz. Channel Domain-Daten In herkömmlichen Ultraschallgeräten wird eine Zeile aufgebaut, indem die Informationen aller Kanäle des Schallkopfs gewichtet summiert werden. Sobald eine Zeile erzeugt ist, werden die Originaldaten gelöscht. Im Gegensatz dazu speichert Zone Sonography die kompletten Schallkopf-Rohdaten in einem Channel Domain Memory. Diese originalen Echoinformationen werden zur Bilderstellung mehrfach in einem Channel Domain Processor verarbeitet. Die Verfügbarkeit des kompletten Datensatzes steigert sowohl Flexibilität als auch Kapazität. Das Z .ONE-System kann beispielsweise die Channel Domain-Daten mehrfach mit verschiedenen Algorithmen versehen, um die bestmögliche Lösung zu finden. Aus den verfügbaren Informationen wird so das optimale Bild erzeugt. Ein Beispiel für diesen Ansatz ist die Zone Speed Technology (ZST™) von ZONARE. Software-Architektur In konventionellen Geräten werden die digitalen Beamformer in der Regel als spezifisch entwickelte Hardware umgesetzt. Lediglich die Nachverarbeitung wird als Software implementiert. Erweiterungen am Frontend müssen somit vor Ort erfolgen. TE CHNOLOGIE -UPDATE Zone Sonography jedoch ist durchgehend (Front- und Back-end) als Software implementiert, was deutliche Vorteile bietet (z.B. hohe Leistungsfähigkeit, zukünftige System-Erweiterungen via Software, flexible Größe). Diese vollständig Software-basierte Verarbeitung wird dank der Effizienz von Zone Sonography möglich. Verglichen mit einem herkömmlichen Beamformer-System führt die akustische Effizienz der Zonen-basierten Datenerfassung zu einer drastischen Reduktion der Datenmenge. Außerdem ist die generelle Fokussierung (CTF) von Zone Sonography effizienter, da sie alle räumlichen Abtast-Parameter nutzen kann. Blockdiagramm zur Signalverarbeitung Ein konventionelles System… Spezifischer Hardware Beamformer …nutzt einen großen, unflexiblen Hardware-Beamformer,… gen der Profile anstelle von den reduzierten Abtastanforderungen des Sendestrahls. Unter normalen Bedingungen führt dies zu etwa dreimal so viel oder mehr Sendeaktionen als erforderlich. Außerdem erfordert die beschränkte Abbildungstiefe für jede Erfassung mehrere Sendefokusse, um ein gleichförmiges Bild zu erzeugen. Mit Zone Sonography wird beim Senden und Empfangen entkoppelt. Die kompletten Datensätze aus mehreren, überlappenden Zonen werden genutzt, um die Präzision jeder Echolokalisierung retrospektiv zu optimieren. Herkömmliche Systeme verwerfen diese Informationen. Zone Sonography hält die Sende- und Empfangs-Weglängendifferenzen für das retrospektive Channel DomainProcessing vor, um einen kontinuierlichen Sendefokus für alle Punkte zu erhalten. Der Preis hierfür sind höhere Anforderungen an die Verarbeitung, aber dies ist ein Eine Ultraschall-Plattform mit Zone Sonography… guter Kompromiss, da durch eine ständig steigende Prozessorleistung langfristig …erfasst detailliertere Verbesserungen erzielt werden (unabChannel Domain-Daten hängig von den Gesetzen der Physik). (Echodaten aus jedem Schallkopf-Kanal aus jeder Zone)… …um Abtastzeilen anhand der eintreffenden Echos zu erzeugen,… Die Pulsdichte wird damit nicht länger durch einen Sende- und Empfangspuls bestimmt, was bei konventioneller Bildgebung generell der Fall ist. Stattdessen kann eine optimale Pulsrate genutzt wer…und nutzt einen kleinen Software-basierten DSP-Prozessor,… den, was in der Regel zu einer > 3-fachen Verkürzung der Erfassungszeit führt. Ein synthetischer Sendefokus für jeden Punkt entlang des Empfangsstrahls erzeugt ein in jeder Tiefe fokussiertes Bild und erübrigt die Notwendigkeit mehrerer Sende…um ein Bild zu erstellen. fokusse. Dies resultiert in einer weiteren > 3-fachen Verkürzung der Erfassungszeit, ergibt also insgesamt eine > 9-fache Zeitverkürzung bei der Echodatenerfassung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. P DS RE NA ZO ms ste l Sy ica Med …die zu einem Bild verarbeitet werden. CTF CONTINUOUS TRANSMIT FOCUS: BILDQUALITÄT Die Abbildung ist an jedem Punkt zweifach fokussiert. Eine der wichtigsten technischen Innovationen von Zone Sonography ist die Möglichkeit eines kontinuierlich fokussierten Sendestrahls. Herkömmliche Geräte fokussieren dynamisch beim Empfang, aber ihr Sendestrahl nutzt einen festen Fokus. Zone Sonography bietet an jedem Punkt der Abbildung einen Zwei-Wege-Fokus (Senden und Empfangen). Die klinischen Vorteile sind eine höhere räumliche Auflösung, höherer Kontrast, ein gleichförmiger Bildaufbau, größere Abbildungstiefen sowie eine bessere zeitliche Auflösung. Zudem werden weniger akustische Übertragungszyklen als beim konventionellen Ansatz benötigt. Damit ein Ultraschallsystem hochwertige Bilder erzeugen kann, muss die zu untersuchende Region hinreichend akustisch abgetastet werden, und zwar axial und lateral, um Alias-Artefakte zu vermeiden. Axial wird die Nyquist-Abtastrate durch die kombinierte Bandbreite des Sende-/ Empfangspulses bestimmt. In der lateralen Dimension erfordert das Nyquist-Abtasttheorem, dass eine genügende Zahl kombinierter ZweiWege-Sende-/Empfangsstrahlen die zu untersuchende Region seitlich abtastet. Die endgültige räumliche Bild- sowie die Kontrastauflösung werden von der Schichtdicke des Sende- und Empfangspulses bestimmt. Da das Bild an jedem Punkt zweifach fokussiert ist und ein typisches Ultraschallbild axial über 500 Bildpunkte hat, entspricht dies einem konventionellen Beamformer-basierten System mit 500-600 Fokuszonen. Das Ergebnis ist ein einheitliches, räumlich invariantes Bild mit besserer räumlicher Auflösung, höherem Kontrast und größerer Eindringtiefe. Ebenfalls wird ein besserer Signal-Rauschabstand erreicht, was eine bessere Eindringtiefe bei schwierigen Patienten und weniger zeitliche Verzerrung bedeutet. Digitaler Beamformer 2D tatsächliches Tx-Profil Konventionelle Geräte verbinden einen fixen Sendefokus mit einem dynamisch fokussierten Empfang. Aufgrund der Beschränkungen bei der Abbildungstiefe ist der Sendefokus in der Regel schwächer als der Empfangsfokus, so dass Zwei-Wege-Profile vom feineren Empfangsprofil bestimmt werden. Sobald der Sendestrahl gesendet ist, ist dessen Beitrag zum Zwei-Wege-Profil festgelegt. Die Zahl der erforderlichen lateralen Übertragungen wird bestimmt von den feineren lateralen Anforderun- ZONARE Medical Systems GmbH Henkestrasse 91 91052 Erlangen T (09131) 974 94-0 F (09131) 974 94-10 effektive Tx-Profile 1 Strahl für 3 Tx Zone Sonography™ 2D tatsächliches Tx-Profil effektive Tx-Profile 6 Strahlen für 6 Tx Dr. Glen McLaughlin ist der Gründer und Chief Technology Officer von ZONARE Medical Systems, Inc. Dr. McLaughlin hat über 20 Patente im Bereich Ultraschall angemeldet und zahlreiche Publikationen veröffentlicht. Er ist ein international gefragter Referent zu Zukunftstrends der Ultraschalltechnologie und ist in gemeinsamen Forschungsprojekten mit führenden Institutionen weltweit aktiv. [email protected] www.zonare.de