Scherper zien door een gaatjesmasker

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).

Uitgerekte puls

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.

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.”

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.”