Pionierarbeit bei einer 3D-Ultraschallbildgebungsanwendung für die Wirbelsäulendiagnostik
Viele Innovatoren haben neue Technologien von Grund auf entwickelt, während andere Wege finden, bestehende Fortschritte zu kombinieren, um Probleme auf völlig neue Weise zu lösen.
Die Idee für die 3D-Ultraschall-Diagnosebildgebung der Wirbelsäule entstand, als Chris Schlenger, CEO von Verdure Imaging, ein Ultraschallbild des Gesichts seiner Tochter im Mutterleib sah. Nach ihrer Geburt war er von der Genauigkeit der Technologie beeindruckt. Als Chiropraktiker fragte sich Schlenger, warum Ultraschall nicht verwendet wird, um Wirbelsäulenstrukturen zu visualisieren.
"Ich dachte: 'Wenn wir nur die Oberfläche der Wirbelsäule sehen könnten, würde das wirklich helfen, zu entscheiden, welche Art von chiropraktischer Behandlung einem Patienten angeboten werden sollte,'" sagte er.
Bei der Erkundung der Idee stellte er bald fest, warum. Ultraschallwellen dringen nicht effektiv in den Knochen ein und neigen dazu, von Detektoren abzuprallen, was es schwierig macht, klare Bilder der Knochenoberfläche zu erfassen. Dennoch hielt seine Neugier an, was ihn dazu brachte, das Tracking als Möglichkeit zu erkunden, um 2D-Ultraschallbilder in genauere 3D-Darstellungen zu verwandeln.
"Es gibt ein paar Methoden, um Ultraschall in einem medizinischen Umfeld zu verfolgen," erklärte Schlenger. "Eine ist das elektromagnetische Tracking, das gut für sehr kurze Distanzen funktioniert. Aber für unsere Zwecke war optisches Tracking die beste Option, da es uns ermöglichte, größere Distanzen abzudecken und mehrere Kameras zu integrieren." Die Suche nach einer geeigneten Tracking-Lösung war jedoch zunächst herausfordernd. Die Anwendung musste einen tragbaren Ultraschallscanner verfolgen, während er sich entlang der Wirbelsäule bewegte, sich biegte und drehte, um dimensionale Bilder zu erfassen. "Aus technischer Sicht benötigten wir ein System, das genau genug war, um sowohl schräg als auch über mehrere Fuß entlang der Wirbelsäule zu verfolgen," sagte Schlenger.
Schlenger arbeitete mit dem Labor für perkutan Chirurgie an der Queen's University in Kingston, Kanada, zusammen, das ein ultraschallgesteuertes Interventionssystem für die translationale klinische Forschung prototypisierte.
Durch die Verbindungen der Universität erkundete er verschiedene Optionen. Keine konnte seinen Bedürfnissen und Anforderungen gerecht werden, bis ihn eines der Teammitglieder der Universität zu OptiTrack verwies, wo er die ideale Lösung fand. "OptiTrack bietet jede Tracking-Konfiguration, die Sie benötigen – ob es sich um Weitwinkel oder engen Winkel, einen großen oder kleinen Raum oder aktives oder passives Tracking handelt," sagte Schlenger.
Tracking-Präzision für 3D-Bildgebung
Schlengers 3D-Ultraschallbildgebungsanwendung für die Wirbelsäule – genannt SpineUS – verfügt über ein OptiTrack-System mit drei Slimˣ 13 Kameras und einem tragbaren Ultraschallscanner, der mit aktiven LED-Markern ausgestattet ist, die in Diffusorkugeln untergebracht sind. Die Einrichtung umfasst auch einen Consumer-PC, der die SpineUS-Anwendung ausführt, und ein Tracker-Referenzgerät mit LED-Markern, das mit einem Klettverschlussgurt an einem Patienten befestigt ist. OptiTrack's Motive-Software ermöglicht eine nahtlose Integration zwischen dem Tracking-System und der SpineUS-Anwendung.
Die SpineUS-Softwareanwendung, die auf dem PC installiert ist, interagiert sowohl mit OptiTrack's Motive-Motion-Capture-Software als auch mit der Firmware des Ultraschallscanners. Durch die Zuordnung von Tracking-Daten zu jedem erfassten Ultraschallbild synchronisiert die Software effektiv die Ultraschalldaten mit den durch Motive erhaltenen Tracking-Daten.
"Die LED-Kugeln senden ein einzigartiges Markierungsmuster aus, das OptiTrack verfolgt," erklärte Schlenger. "Wir kalibrieren dann die Tracking-Daten des Ultraschallscanners relativ zum Referenzpunkt. Um das zu erreichen, haben wir ein Werkzeug entwickelt, um zu bestimmen, wo diese Punkte im Raum existieren, und ein Koordinatensystem zu erstellen."
Während sich der Ultraschallscanner entlang der Wirbelsäule bewegt und dreht, erfasst OptiTrack sechs Freiheitsgrade der Bewegung. "Mit OptiTrack können wir die Position des Scanners relativ zu den Referenzmarkern mit submillimetergenauer Genauigkeit bestimmen, was extrem präzise und genau ist," sagte Schlenger. "Dieses Maß an Zuverlässigkeit ist entscheidend, da es gültigere Messungen für Diagnosen wie die Analyse von Skoliose gewährleistet."
KI-Integration
Die Möglichkeiten der KI stellten einen enormen Durchbruch dar. Schlenger und sein Team entdeckten, dass sie KI-gestützte Echtzeit-Algorithmen nutzen konnten, um die Klarheit ihrer 3D-Ultraschallbilder zu verbessern und eine klarere Visualisierung der Oberfläche der Wirbelsäule zu ermöglichen.
"KI ist so gut darin, große Datenmengen in sehr kurzer Zeit zu analysieren," sagte Schlenger. "Sie kann über 22 Bilder pro Sekunde verarbeiten. Es ist phänomenal, wie schnell KI ein ganzes Bild analysieren und es genau in einem 3D-Kontext rekonstruieren kann." All dies geschieht in nahezu Echtzeit.
Dies markierte einen entscheidenden Wendepunkt. Schlenger sieht nun Anwendungen, die über die Wirbelsäulenbildgebung hinausgehen. "Tracking kombiniert mit KI wird die ultraschallgestützte Diagnostik revolutionieren," sagte Schlenger. "Traditionelle Ultraschallbilder können roh und verrauscht sein, aber jetzt können wir sie verbessern, um detaillierte Strukturen zu enthüllen, was möglicherweise die Tür für Leberdiagnosen, Nierenbewertungen und arterielle Beurteilungen öffnet."
Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass es die Strahlenexposition eliminiert und eine sicherere diagnostische Lösung bietet. Dieser Vorteil hat das Interesse des Children's National Hospital in Washington, D.C. geweckt.
"Wir haben im Krankenhaus Forschung zu Fällen mit diagnostizierter Skoliose durchgeführt und Kinder überwacht, die möglicherweise eine Operation benötigen würden," sagte Schlenger. "Das Krankenhaus ist an zukünftigen Kooperationen aus einer Wellness-Perspektive interessiert. Skoliosefälle, die sich dem Schwellenwert für eine Operation nähern, erfordern regelmäßige Bildgebung, was das Krebsrisiko erhöht, insbesondere bei Kindern. Die Minimierung des Risikos für Patienten hat oberste Priorität. Daher sehen wir den großen Anwendungsfall in der Screening, da es keine Schäden verursacht."
Im Oktober 2024 erhielt Schlenger die FDA-Zulassung für SpineUS zur Analyse der Wirbelsäulenstellung, was neue Möglichkeiten in der chiropraktischen Versorgung und Physiotherapie eröffnet.
PDF herunterladen
Klicken Sie auf den Link, um ein PDF dieser Kundenstory herunterzuladen: https://d111srqycjesc9.cloudfront.net/OptiTrack_Case-Study_Verdure-Imaging-SpineUS.pdf
Über OptiTrack
OptiTrack ist ein weltweit führendes Unternehmen in der 3D-Tracking-Technologie und bietet hochmoderne Lösungen, die für ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit bekannt sind. Mit einem umfassenden Sortiment an Hochleistungs-Kameras, Software und Zubehör unterstützt OptiTrack eine vielfältige Gruppe von Nutzern, die von Unterhaltung und Biomechanik bis hin zu Forschung und Robotik reicht. Von der Erfassung der subtilen Nuancen menschlicher Bewegung bis hin zum Tracking komplexer Interaktionen in virtuellen Umgebungen ermöglicht die Technologie von OptiTrack den Nutzern, Bewegungsdaten mit beispielloser Detailgenauigkeit zu verfolgen, zu analysieren und zu visualisieren. Ob es darum geht, Schulungen anzubieten oder Unterstützung bei der Systemoptimierung zu leisten, OptiTrack ist Ihr Partner, um die Grenzen des Möglichen zu erweitern und Innovationen weltweit zu fördern.
