Seksjonen forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef og NTNU.

  • 2D-ultralyd av en lever med navigasjonslinjer. Foto: Ivan Viola

ULTRALYD

3D-teknologi skal bidra til operasjoner som belaster kroppen mindre

Norske forskere er sentrale i utviklingen.

annonse:
annonse:
annonse:

Les også:

Du tenker kanskje på de magiske bildene av babyer i mammas mage når ultralyd og 3D nevnes i samme setning.

I dette tilfellet er poenget mer enn et nydelig 3D-bilde å se på.

Det dreier seg om å bruke 3D-dataene som en mer presis referanse for vanlig 2D-ultralyd, og betydelig skjerpe dette som medisinsk verktøy.

Sammenlignet med andre typer medisinsk bildeteknologi, har ultralyd flere fordeler. Bildene kommer i sanntid, apparatet er lite og kan flyttes til pasientens sengekant, det er billig og bruker ikke skadelig stråling.

Les også: Dette plasteret kan mye mer enn å stoppe blod

Ekstern referanse

Frem til nå har ultralydapparatene vært avhengige av en ekstern referanse for å bestemme hva proben (dingsen som legges mot huden) egentlig er siktet mot inne i kroppen. Det vil si enten magnetisk eller optisk sporing av proben i rommet.

– Når pasienten beveger seg eller puster, blir det feil i posisjoneringen. Leveren beveger seg for eksempel fem centimeter opp og ned når en voksen person puster, sier professor Ivan Viola, leder for forskningsprosjektet Illustrasound ved Institutt for informatikk ved Universitetet i Bergen (UiB).

Data fra akustiske målinger er generelt også fulle av støy.

En av ulempene med dagens ultralyd er dermed at kvaliteten er veldig avhengig av undersøkerens ferdigheter og kanskje også pasientens anatomi.

Problemet kan hjelpes med et internt system for posisjonering som følger organene inne i kroppen, heller enn å følge proben på utsiden. En slik teknologi betyr også enda finere bilder av babyen, fordi det er 3D-data som sørger for at posisjoneringen blir mer presis.

Les også: Tror organproduksjon er rutine innen ti år

En ny teknikk reduserer støy i 3D-bildene samtidig som den bevarer detaljene. Foto: Ivan Viola

Stor lever

I dag brukes ultralyd mye til diagnostisering, men også til å guide noen bestemte typer inngrep, som hjerne- og hjertekirurgi.

Når det gjelder hodet, kan den eksterne, optiske sporingsmekanismen festes på det harde kraniet, og dermed følge kroppens bevegelser. Når det gjelder hjertet, er det organet så lite at hele greia passer inn i én enkelt skannesektor.

Leveren, kroppens største indre organ, er derimot for stor til å passe inn én sektor, og den beveger seg som nevnt hele tiden med pusten. Dermed blir det mye vanskeligere å bestemme hvilken del av den som til enhver tid synes på undersøkerens skjerm.

I dag benyttes ultralyd til veiledning under flere typer inngrep i leveren, til tross for problemene med presisjon.

Kirurgen må da be pasienten om å holde pusten i bestemte faser av operasjonen, noe som kompliserer inngrepene og gjør dem mer tidkrevende. Det går også vesentlig med tid og krefter til å forstå hvilken del av organet som vises på bildet.

Les også: Dansk magnethjelm kan hjelpe mot tung depresjon

Et sammensatt 3D-volum fra en lever. Foto: Ivan Viola

Tverrsnitt

Et ultralydapparat viser vanligvis et lite tverrsnitt fra kroppens indre i 2D. Ved å styre proben, kan operatøren flytte fokusområdet, og bokstavelig talt bevege seg gjennom organene.

Dette er årsaken til at ultralydbilder i 2D vil fortsette å være svært viktige innen et bredt spekter av kliniske formål.

Et 3D-bilde er noe helt annet.

– 2D skjuler ikke noe. Det er den samme grunnen til at arkitekter liker plantegninger i 2D. Når det gjelder 3D vil strukturer i forgrunnen skjule strukturene bak, sier Viola.

Viola og kollegaene foreslår å øke presisjonen til 2D-ultralyd ved å legge navigasjonslinjer over bildene. Linjene kan for eksempel reflektere vanlig inndeling av organet. De kommer på plass ved at ultralydbildet hele tiden automatisk sjekkes mot 3D-data.

Les også: Snart kan du få behandling hos fastlegen over internett

Referansevolum

– For leveren er prosedyren at vi først skanner den i ett sveip mens pasienten holder pusten i 15 sekunder. I løpet av dette sveipet har 30-50 forskjellige 3D-skanninger blitt lagret. Systemet syr dem raskt til ett sammensatt volum, forteller Viola.

Dette er ikke noe operatøren trenger å inspisere med øynene, bortsett fra akkurat når leveren skal deles inn, og det sammensatte 3D-volumet blir en referanse.

Når operatøren deretter plasserer proben et tilfeldig sted over leveren, fortsetter apparatet å hente inn 3D-volum for hvert av 2D-tverrsnittene som vises på skjermen. De blir automatisk sjekket mot det første referansevolumet, og inndelt. Inndelingen overføres tilbake til skjermbildet foran operatøren i form av rettledende linjer.

– Dette er robust, selv om pasienten flytter seg til et annet rom. Og det er basert på selve ultralyden, ikke på noe ekstern teknologi for posisjonering, sier Viola.

Les også: Her blir nerveceller skrevet ut med et vanlig blekkskriverhode

Støyfilter

For å få til dette har det vært nødvendig å utarbeide en rekke nye løsninger. For eksempel måtte forskerne lage et nytt filter for å håndtere støy, uten å kutte vekk noe viktig.

– Faren ved å fjerne støy er å miste detaljer, sier Viola.

For 2D-ultralydbilder kan støy faktisk være nyttig, fordi en dyktig undersøker ser egenskaper ved vevet ut fra hvordan støymønstrene beveger seg. Når det gjelder 3D er støy bare klumper som du ikke kan se bak.

– Ultralyd er svært avansert teknologi, men 3D-visualiseringen er veldig primitiv. Det er på høy tid at den løftes opp på høyde med de andre nyvinningene på feltet, sier Viola.

Han mener forskningsmiljøet har kviet seg for å ta tak i ultralyd, på grunn av all støyen.

– Vi bestemte oss for å bli skitne på hendene og ta tak, sier Viola.

Les også: Nanoroboter skal behandle kreft mer effektivt enn cellegift

Lyskilde

3D-volumet brukes som referanse for 2D-bildene, og gir et system for indre posisjonering. Foto: Ivan Viola

Ultralydbilder i 3D må dessuten behandles ved å sette inn en kunstig lyskilde, for at det skal bli mulig å se formene. Dette området har UiB-forskerne også fokusert på.

– Frem til nå har man brukt en derivativ metode som opprinnelig var ment for CT, og ikke passer for ultralyd i det hele tatt fordi den forsterket støy. Støyfjerning er risikabelt. Vi utviklet en integrativ metode som ikke forsterker støy, sier Viola.

Han forteller at selskapene som produserer ultralydapparater har vakre 3D-bilder av babyer i magen som en høy prioritet. Her er ikke bevaringen av detaljer så kritisk, for bildene brukes mest til å kommunisere med foreldrene om fosterets utvikling.

Derimot brukes 2D-ultralyd til å undersøke fosteret nøye, og her er det mye viktigere å bevare detaljene slik at gynekologen kan gjøre gode observasjoner. For diagnostisk relevante 3D-bilder og behandling av hjerte, hjerne, og mageregion er bevaringen av detaljer en høy prioritet.

Forskningsgruppen ved UiB er en av de første som forsøker å sørge for en oppdatert 3D-visualisering av ultralyddata, og dette har det internasjonale miljøet satt pris på.

Forskerne stakk av med førsteprisen i Eurographics Dirk Bartz Prize for Visual Computing in Medicine i 2013.

Les også: Tester kolesterolet ditt ved hjelp av smarttelefonen

En vei å gå

3D-bilde av en lever. Foto: Ivan Viola

Prototypen for ultralyden med et internt system for posisjonering er enda ikke fullt ut klinisk testet. Det betyr at teknologien ikke er implementert i ultralydskannere på sykehusene.

Prosjektet har vært teknologisk først og fremst, og forskerne har nylig fått ekstra midler fra Forskningsrådets program VERDIKT til resultatutnyttelse, for å komme nærmere et sluttprodukt.

– Vi har etablert kommunikasjonslinjer med industrien. Prosjektet har også generert nye prosjekter som delvis finansieres av industrielle partnere, forteller Viola.

Veien frem til integrering i apparatene er imidlertid lang.

– Vi har tatt et viktig første skritt. I neste runde trengs det mer klinisk forskning for å undersøke hvor presis den interne sporingen er, sier Viola. Han arbeider nå ved Technische Universitaet Wien, men er fremdeles tilknyttet UiB som professor II.

Forskningen er gjort i samarbeid med Dag Magne Ulvang ved Christian Michelsen Research (CMR) ved UiB og Odd Helge Gilja ved Haukeland universitetssjukehus. UiB var ansvarlig for basalforskningen, CMR integrerte forskningskomponentene i en software-prototype, mens sykehuset hjalp til med å skaffe data og definere teknologisk forskningsfokus.

Forskerne har gjort koden for prototypen tilgjengelig på prosjektets nettsider, for de som ønsker å prøve den ut på sitt eget ultralydapparat.

Denne artikkelen er levert av VERDIKT (Kjernekompetanse og verdiskaping i IKT), som er Forskningsrådets store program for IKT-forskning.

Les også:

Tester kunstig hjerte med norsk trykksensor

Bli med inn i fremtidens operasjonsstue

Nå skal åpen kildekode også brukes til å lage medisiner  

annonse:
Anbefalt for deg
Delinger på facebook