Development and Commissioning of the KIT 3D Ultrasound Computed Tomography System III

Diese Dissertation beschreibt die Konzeption, Entwicklung und klinische Evaluierung des dreidimensionalen Ultraschall-Computertomographiesystems der dritten Generation (3D~USCT~III) zur frühen Brustkrebserkennung. Die Arbeiten wurden am Institut für Datenverarbeitung und Elektronik (IPE) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durchgeführt, wo ein vollständig volumetrischer USCT-Ansatz als weltweit erstes System dieser Art entwickelt wird.

Aufbauend auf früheren Demonstratoren, einschließlich des klinisch erprobten Prototyps 3D~USCT~II, wurde die dritte Generation entwickelt, um die in Patientenstudien identifizierten Einschränkungen zu überwinden. ... mehrDazu zählten ein unzureichend großes Bildfeld, Herausforderungen bei der Brustpositionierung, Patientenbewegungen während der mehrminütigen Aufnahme sowie prozedurale Ineffizienzen. Als Reaktion darauf wurde das Bildvolumen auf $20\times20\times20~\mathrm{cm}^3$ vergrößert und sämtliche mechanischen, elektronischen und prozeduralen Teilsysteme im Hinblick auf Robustheit, Reproduzierbarkeit und einen verbesserten Workflow überarbeitet.

Ein theoretischer Rahmen basierend auf Fourier-Optik und \textit{k}-Raummethoden wurde in die akustische Domäne übertragen und ermöglichte die quantitative Bewertung von Aperturdesign, räumlicher Bandbreite, Auflösung und Abtastanforderungen. Diese Modelle leiteten die Entwicklung eines neuen Wandlerkonzepts mit PZT-Piezofasertechnologie, welches eine erhöhte Bandbreite, einen größeren Öffnungswinkel und eine homogene 3D-Feldantwort bietet. Die daraus resultierenden Amplitudenverluste wurden durch ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) kompensiert, realisiert durch schnellere Messsequenzen, codierte Anregung, Mittelung und deutliche SNR-Gewinne aus der SAFT-Rekonstruktion. Semi-zufällige dünne Abtaststrategien, gestützt durch Konzepte des Compressive Sensing, zeigten, dass nahezu vollständige Informationsgewinnung auch ohne Nyquist-dichte Aperturen möglich ist.

Zur Unterstützung der erforderlichen Datenraten und Anregungsverfahren wurden eine neue $\mu$TCA-basierte Datenakquisitionsarchitektur sowie ein USCT-spezifisches ASIC entwickelt, welche die analoge und digitale Leistung erheblich verbesserten. Jede Messposition erfasst etwa fünf Millionen AScans, was ein effizientes Datenmanagement und eine enge Synchronisation aller Systemkomponenten erfordert.

Die Systemintegration erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Realcan EQ9 und führte zu zwei funktional gleichwertigen Geräten. Die klinische Validierung wurde im Rahmen des EU-Horizon~2020-Projekts QUSTOM am Hospital Vall d’Hebron in Barcelona mit 59~Patientinnen durchgeführt. Die Studie zeigte eine verbesserte Beleuchtungshomogenität, eine Aufnahmezeit von etwa fünf Minuten pro Brust, zuverlässige Messabläufe sowie eine verbesserte Bandbreite, ein gesteigertes SNR und erweitertes Signal-Dynamikpotenzial.

Nach der ersten klinischen Bewertung befindet sich das 3D~USCT~III-System in der regulatorischen Vorbereitungsphase für eine geplante multizentrische Studie. Damit stellt 3D~USCT~III einen wesentlichen Schritt hin zur routinemäßigen klinischen Anwendung der volumetrischen Ultraschalltomographie zur frühen und zuverlässigen Brustkrebsdetektion dar.

At the Institute for Data Processing and Electronics (IPE) at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), a 3D ultrasound computer tomography (USCT) system is being developed for breast cancer diagnosis.

Throughout the project's history, several generations of demonstrators have been created, ranging from 2D ``proof-of-concept'' devices (2D USCT) and technical 3D demonstrators (3D USCT I) to a device suitable for volunteers and clinical studies (3D USCT II).

With the new demonstrator described here (3D USCT III), the aim is to transition from multicenter studies directly into routine clinical practice, building on the insights from previous systems and studies.\\
... mehr

Numerous challenges had to be addressed due to the ambitious system designs. These designs were informed by findings from the clinical studies conducted in Jena and Mannheim, as well as evaluations and simulations performed by the project team, including my prior master’s thesis on Fourier-based modeling. This approach allowed for the modeling of imaging systems as linear and invariant systems using \textit{k-space analysis}. From these fundamental system properties, an imaging function can be derived to represent and predict complex imaging characteristics.\\

Key elements addressed in the design included improved imaging properties concerning homogeneity and illumination for the defined and enlarged imaging area (Region-of-Interest), aiming to accommodate the intended broad patient population.

Based on simulation predictions, ideal apertures and sensor structures were identified. These predictions were compared against existing designs, showing strong agreement with theoretical forecasts. Consequently, a new aperture and ultrasound transducer concept were defined and prototypically implemented in several variants.\\

In parallel, architectural challenges of the data acquisition (DAQ) and signal processing chain were tackled and resolved. Comprehensive changes and adaptations were implemented at all levels of the electronics chain. Notably, a major advancement was the introduction of a USCT-specific and proprietary ASIC (Application Specific Integrated Circuit), which revolutionized the front-end part of the USCT system.

An ambitious challenge that later emerged was the parallel development and construction of the new demonstrator generation in an international collaboration with industrial partners Realcan/EQ9 at two locations: the '3D USCT III.R KIT' system at the KIT Campus Nord site in Karlsruhe and the '3D USCT III.R EQ9' system in Hangzhou, People's Republic of China.

The lengthy process of integration and the initial commissioning phase was successfully completed, including evaluations of the desired imaging parameters using first volunteers and custom-designed imaging phantoms to assess the diagnostically valuable quantitative imaging modalities of sound speed and attenuation.

The project is now transitioning into the regulatory preparation phase for the planned multicenter study in China.