Darstellung von Interventionsnadeln in 3D-Ultraschallvolumina und Geometrie ihrer Artefakte

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Ziel:

Die Genauigkeit einer manuell geführten Intervention mit einer Nadel, z.B. einer Biopsie, hängt u.a. von der Nadelsichtbarkeit im Ultraschallbild ab. Wird die Nadel parallel zur Sendefläche eines 2D-Schallkopfs ausgerichtet, liegt sie in der Bildebene (in plane-Technik) und stimmen Nadel- und Fokustiefe überein, lässt sie sich erfahrungsgemäß mit maximaler Präzision in Richtung des Interventionsziels, z.B. eines Herdbefundes, vorschieben. Bei Nutzung eines mechanischen 3D-/4D-Schallkopfes wird die in plane-Forderung i.A. für ein Bild erfüllt. In benachbarten Bildern ist die Nadel allerdings wegen der elevationalen Schallkeulenausdehnung immer noch zu sehen, obwohlsie in dem Fall seitlich versetzt zu der Sendefläche liegt. Die Darstellung der Nadel durch mehrere benachbarte 2D-Einzelbilder bedingt im 3D-Bildvolumen eine virtuelle Verbreiterung. Daher erscheint die Nadel in der räumlichen Visulisierung im Allgemeinen band- statt, wie erwartet, linienförmig. Diese Artefaktvisualisierung kann den Einsatz der 3D-Bildgebung für Nadelinterventionen limitieren. Entsprechende Probleme werden bei Bildebenen beobachtet, die orthogonal zur Nadel stehen (out of planeTechnik). In einer experimentellen Untersuchung an einem Phantom wird die Artefaktgeometrie untersucht. Anhand von Simulationsrechnungen werden deren Determinanten unter der Annahme einer linearen Wellenausbreitung in homogenem Medium für eine Nadel mit punktförmigem Querschnitt bestimmt. Hieraus ergeben sich Vorschläge zur Eliminierung lateraler (out of plane) Artefakte in der Nadelvisualisierung.

Material und Methode:

Nadeln aus verschiedenen Materialien wurden in einem mit Milch gefüllten Becken platziert und mit einem mechanischen 3-D Linear-Ultraschallkopf aufgezeichnet. Die Bildvolumina besaßen Abmessungen von ca. 44×40×36mm³. Die Artefakte der aufgezeichneten 3D-Ultraschallbildvolumina wurden verglichen mit solchen, die mit dem frei verfügbaren Matlab-basierten (The Mathworks, Natick, Massachusetts (USA) Softwarewerkzeug Field II (http://server.oersted.dtu.dk/personal/jaj/field/) erzeugt wurden. Für Impulswellen und sinusförmige Wellenzüge wurde das Sende-/Empfangsbeamforming einer delay-and-sum-Aufzeichnungstechnik simuliert. Die Simulation der Impulswellenausbreitung modelliert hierbei die idealen Verhältnisse, wie sie beispielsweise bei kodierter Anregung und Anwendung eines matched Filters erzielt werden. Die Simulationen wurden für ein Linear-Array-Schallkopf mit N piezoelektrischen Elementen durchgeführt, die sowohl als Sender als auch Empfänger dienten (Puls-Echo-Verfahren). Für jedes der N² Sende-Empfangs-Paare wurde die laterale Wellenausbreitung für die Fälle (1) Reflektor im Fokus-Punkt und (2) Reflektor axial außerhalb des Fokuspunktes simuliert. Für die Fokussierung wurden Piezoelemente gruppenweise angeregt, wobei die Amplituden einer Gruppe unterschiedlich gewichtet wurden (Apodisierung). Der verwendete Punktreflektor diente als Modelfür den Querschnitt einer dünnen Nadel.

Ergebnisse:

Die Simulation mit impulsförmigen Wellenzügen liefert axiale Abmessungen der Artefakte ähnlich denen, die in Ultraschallbildern gefunden wurden, die die Nadel im Querschnitt aufzeichnen. Solche Simulationen erzeugen keine innere Artefaktstruktur. Diese lässt sich hingegen erzeugen, wenn Sinus-förmige Wellenzügen zur Simulation genutzt werden. Aufgezeichnete und simulierte Strukturen stimmen visuell gut überein. Die Artefakt-Geometrie hängt eindeutig von der axialen Distanz Fokustiefe zu Reflektortiefe bzw. Nadelachse ab. Aus ihr kann somit bei bekannter eingestellter Fokustiefe auf die Reflektortiefe rückgerechnet werden.

Schlussfolgerung/Summary:

Die kurvenförmigen Artefakte scheinen somit durch die fehlende Übereinstimmung von Fokus- und Nadeltiefe erklärbar zu sein. Diese Artefaktgeometrie kann in Bildvolumina identifiziert und auf die erzeugende Nadel reduziert werden. Im Bildvolumen lassen sich dann den Artefaktvoxeln definierte Grauwerte zuweisen, nur die Nadelselbst behält ihre Grauwerte und wird erwartungskonform als Linie und in der korrekten Lage dargestellt. Diese Bildvolumennachbearbeitung kann die Richtigkeit der Nadelvisualisierung verbessern und 3D-Ultraschall-basierte Interventionen erleichtern.

Artefakt - 3D-Ultraschall - Simulation