Je leest:

Scherper zien door een gaatjesmasker

Scherper zien door een gaatjesmasker

Slimme techniek reconstrueert achteraf 3D-beeld

Auteur: | 11 december 2017

3D-echo’s maken van het inwendige van het menselijk lichaam wordt een stuk simpeler met de zogeheten coded aperture-techniek. Dan heb je in plaats van duizenden, maar een paar sensors nodig en past het apparaat in een endoscoop. Computerkracht en slimme algoritmes vervangen complexe lenzen en elektronica.

De Swift satelliet, die gammaflitsen aan de hemel opspoort, heeft een coded aperture telescoop aan boord. Dat moet ook wel, omdat lenzen voor gammastraling niet bestaan. Hitachi hoopt in 2018 met een optische camera op de markt te komen, die ook gebruikt maakt van coded aperture. Met zo’n camera hoef je pas achteraf te bepalen op welk deel van het beeld je scherp stelt. Het beeld wordt immers digitaal gereconstrueerd uit een groot aantal overlappende beelden met een onbeperkte scherptediepte.

Je kent wel de echo-beelden van ongeboren baby’s. Daarbij wordt een compacte bron van heel korte geluidspulsen tegen de buik gezet. Dit geluid dringt het lichaam binnen, weerkaatst gedeeltelijk en wordt weer opgevangen door een sensor (microfoontje) in hetzelfde apparaat. Het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen vertelt je de afstand tot het weerkaatsende object, en omdat de geluidsbundel heel smal is, weet je ook vrij nauwkeurig de richting waaruit de echo komt. Zo kun je dus een beeld opbouwen. Het betreft overigens ultrageluid, met een veel hogere frequentie dan hoorbaar geluid (één of meer megahertz).

Maar echo-beelden worden ook gebruikt om elders in het lichaam te kijken. Zoals je aan een baby-echo al ziet, kan het best lastig zijn om zo’n inwendig beeld te interpreteren. Dit komt, omdat het eigenlijk een tweedimensionale doorsnede door een stuk van het lichaam is.

Te groot voor endoscoop

Met geluid kun je ook driedimensionale beelden maken, die beter te interpreteren zijn. Maar daar was tot nu toe een zender/ontvanger met duizenden sensors en complexe elektronica voor nodig. Extra nadeel was, dat zo’n apparaat te groot is om in een endoscoop in te bouwen, zodat je alleen van de buitenkant kunt kijken. Een endoscoop is een flexibele buis waarmee je via natuurlijke openingen, zoals de mond en anus, of via een kleine, chirurgisch aangebrachte snede, het lichaam van binnen kan bekijken. Om met ultrageluid kleine en subtiele details in levende weefsels te onderscheiden, moet je van zo kort mogelijke afstand waarnemen.

Onderzoekers van het Erasmus Medisch Centrum en van de TU Delft hebben nu een 3D-geluidscamera gemaakt met maar één sensor, die in principe klein genoeg is om in een endoscoop in te bouwen. In hun artikel in Science Advances noemen ze het ‘een compleet nieuwe manier van beeldvorming, waarin de complexiteit is verplaatst van hardware naar rekenkracht’.

Het resultaat van de eerste meting. De letters E en D zijn duidelijk te onderscheiden, op de juiste afstand.

In het artikel wordt maar één testafbeelding getoond, van twee plastic letters, E en D, in een bakje water (in water, omdat dit qua geluidsvoortplanting veel meer lijkt op een menselijk lichaam dan lucht). Dat lijkt nog ver verwijderd van echt in een menselijk lichaam kijken. Pieter Kruizinga, eerste auteur en post-doc photo-acoustics bij het Erasmus MC: “De resultaten uit het artikel zijn inmiddels anderhalf jaar oud en we hebben sindsdien niet stilgezeten. Zo heeft een promotiestudente ditzelfde principe al toegepast op een sensor die vele malen kleiner is, en daar heeft ze al prachtige plaatjes mee gemaakt van ingewikkelde objecten en ook van echte weefsels.”

Het principe, coded aperture, is al langer bekend en wordt al toegepast in onder meer gamma- en röntgentelescopen. Om de innovatie van het team te begrijpen, kijken we even terug naar de allereerste camera, die in zekere zin nog steeds de allerbeste is, namelijk de speldengatcamera. Dit is een lichtdichte doos met aan de voorkant één speldengaatje, en tegen de achterkant een fotografische plaat (of tegenwoordig meestal een CCD-chip, zoals in een digitale camera).

Uitgelicht door de redactie

Biotechnologie
Tuberculosebacterie speelt verstoppertje door maagzuurremmer

Geesteswetenschappen
Hoe schadelijk is de lange schoolvakantie?

Taalwetenschap
Een nieuwe taal creëren tijdens Lowlands

Patroon van gaatjes

De speldengatcamera is altijd goed gefocusd, heeft een onbeperkte scherptediepte, geen beeldvervorming aan de randen en perfecte kleurweergave. Helaas vallen al deze voordelen weg tegen dit ene nadeel: de belichtingstijd is enorm. Immers, door het piepkleine gaatje valt maar een heel klein beetje licht naar binnen.

Bij de camera’s die iedereen kent, is het speldengat daarom vervangen door een veel groter gat met een stuk glas erin, het objectief (je mag ook ‘lens’ zeggen). De speciale vorm van het glas zorgt er zo goed mogelijk voor, dat alle lichtstralen die op het gat komen zodanig worden afgebogen, dat ze terechtkomen op hetzelfde punt van de achterwand als een lichtstraal die door het denkbeeldige speldengaatje in het middelpunt van de lens gaat.

Alle consumentencamera’s zijn dus afstammelingen van de speldengatcamera. Maar er is nog een wezenlijk andere manier om de belichtingstijd van een speldengatcamera te verminderen: prik meerdere speldengaatjes in de doos. Zoals de afbeelding hieronder laat zien, projecteert elk gaatje zijn eigen beeld op de achterkant, en die beelden overlappen. Niettemin, als het patroon van de gaatjes goed gekozen is (vandaar coded aperture, gecodeerde opening), en je hebt flink wat rekenkracht beschikbaar, dan kun je digitaal alle afzonderlijke beelden verschuiven tot ze weer keurig op elkaar liggen. Zo win je veel belichtingstijd terwijl je weinig aan beeldkwaliteit inboet.

In dit klassieke plaatje van een speldengatcamera is een extra speldengat getekend, om te laten zien dat er dan twee beelden van het kaarsje op de achterwand ontstaan. Met alleen het kaarsje zou het nog net goed gaan, maar twee volledige beelden op de achterwand zullen flink overlappen. Een coded aperture camera is te vergelijken met een speldengatcamera met honderden gaatjes, en honderden overlappende beelden. Een geschikt gaatjespatroon in combinatie met slimme algoritmes voor beeldverwerking maken het mogelijk om al die overlappende beelden in de computer weer netjes op elkaar te leggen, zodat één helder beeld ontstaat.

Uitgerekte puls

u = Hv + n

Hoe haalt de computer al die overlappende beelden uit elkaar? Het komt neer op het oplossen van v uit bovenstaande vergelijking, waarin v het 3D-beeld is, u de binnengekomen echo’s, en H een wiskundige representatie van het vertragingsmasker. Dit is een zogeheten lineair inversie probleem, waarvoor allerlei algoritmes beschikbaar zijn. De moeilijkheid zit ‘m in de omvang: u, v en n zijn rijen van duizenden getallen, en H is een matrix (een tabel) met miljoenen getallen. Pas de laatste jaren zijn computers snel genoeg, en geheugens groot genoeg, om zo’n probleem snel op te lossen.

Dit principe hebben Kruizinga en zijn collega’s nu vertaald naar 3D-beeldvorming met ultrageluid. De zender bestaat uit maar één onderdeel, een trilplaatje ongeveer zo groot als een dubbeltje dat hele korte pulsen ultrageluid met een frequentie van vijf megahertz afgeeft. Licht kun je makkelijk blokkeren, maar met geluid lukt dat niet. Daarom is de coded aperture hier geen masker met een patroon van gaatjes, maar een schijfje perspex met een groot aantal putjes van één millimeter breed, allemaal met een verschillende diepte. Elk putje zorgt ervoor, dat de puls op die plek met iets meer of minder vertraging door het schijfje gaat.

Het object dat je in beeld wilt brengen, wordt dus getroffen door een complexe, in de tijd uitgerekte pulsgeluid, en de echo zal ook heel ingewikkeld zijn. Die echo gaat in omgekeerde richting door het vertragingsmasker, en wordt door hetzelfde trilplaatje geregistreerd, dat dan als enige sensor fungeert. In conventionele 3D-beeldvorming met ultrageluid, is er een grid met duizenden zenders/sensoren die achtereenvolgens, punt voor punt, het beeld scannen. Met coded aperture gebeurt dat dus in één keer.

Het klinkt misschien vreemd, maar het putjespatroon moet juist zo rommelig mogelijk zijn, willekeurig dus, om een goede reconstructie van het 3D-beeld mogelijk te maken. Een regelmatig putjespatroon veroorzaakt te veel overeenkomsten tussen de echo’s van de afzonderlijke putjes, waardoor die achteraf niet goed meer te scheiden zijn.

Het vertragingsmasker, een schijf van perspex met een groot aantal putjes van één millimeter diameter. Het patroon is willekeurig; er moet namelijk juist zo min mogelijk regelmaat in zitten om naderhand het 3D-beeld te reconstrueren.

Meer dan één sensor

Wel is er nog een extra truc: er worden met tussenpozen enige tientallen pulsen door het vertragingsmasker gestuurd. Tussen twee pulsen wordt het masker telkens iets gedraaid. Daardoor ontmoet elke puls net een ander putjespatroon, wat een andere echo oplevert, en die worden allemaal digitaal opgestapeld.

“In ons artikel beschrijven we vooral een _proof of concept”, zegt Kruizinga. “Het leek ons gaaf om te laten zien dat je al met één sensor een 3D-plaatje kan maken. Dat is het absolute minimum, maar dit heeft als nadeel dat de gevoeligheid wat achteruitgaat, omdat echo’s van verschillende plekken door dezelfde sensor worden gemeten. Daardoor krijg je bijvoorbeeld destructieve interferentie (uitdoving – red.) aan het sensoroppervlak. Ik denk daarom dat je voor een echt klinisch apparaat wel meer dan één sensor wilt gebruiken.”

Ook op andere manieren is nog veel aan gevoeligheid te winnen. “We hebben een plastic masker gemaakt van materiaal dat we nog hadden liggen. Het harde plastic reflecteert nu nog veel van de echo-energie terug het water in. Kortom, ik denk zeker dat deze techniek, of een variant hiervan, na verdere ontwikkeling in de medische diagnostiek gebruikt kan worden.”

Het vertragingsmasker wordt gelijkmatig geroteerd terwijl er pulsen ultrageluid doorheen gaan. Op de voorgrond de letters E en D, het eerste testbeeld.

Anderhalf uur

De keerzijde van de coded aperture-techniek is, dat brute rekenkracht de complexe echo daarna moet opsplitsen in de afzonderlijke beelden en die op elkaar leggen. Daarvoor moet eerst de invloed van het vertragingsmasker bekend zijn op een geluidspuls die er doorheen gaat. Daarom wordt van tevoren de geluidspuls vlak na het masker met een microscopisch kleine sensor punt voor punt gescand (dit lijkt dus op de gebruikelijke manier om een geluidsbeeld te detecteren).

Dit duurt lang; anderhalf uur, maar deze calibratie hoeft maar één keer te gebeuren. Daarna beschik je over een wiskundige representatie van het masker (een matrix H, zie zijkader – red.), en hiermee kan een gewone computer in ongeveer een minuut uit een meting een 3D-plaatje maken. Kruizinga: “Een goede desktop computer lost zo’n stelsel relatief snel op. Je hebt echter heel wat geheugen nodig om met zo’n matrix te rekenen.”

Voor de toekomst ziet Kruizinga dit niet als een groot probleem. “Je kunt je voorstellen dat er ergens een grote computer staat die zo’n matrix in zijn geheugen heeft, en dat je dan je metingen vanaf je telefoon via een wifi-verbinding naar die computer stuurt en binnen een seconde het 3D-plaatje terugkrijgt. Dit is het systeem dat Google al jaren gebruikt om snel goede zoekresultaten te leveren.”

Bron

Compressive 3D ultrasound imaging using a single sensor , Science Advances 8 december 2017, Pieter Kruizinga e.a.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 december 2017

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.