Softwareentwicklung/Systemintegration

Die Arbeitsgruppe Softwareentwicklung/Systemintegration entwickelt einerseits komplexe Softwaresysteme für die Ultraschallforschung intern und extern, bildet aber auch andererseits die Brücke zum Kunden und Anwender durch die anwendungsspezifische Systemerstellung. Im Bereich der Softwareentwicklung werden gemeinsame Softwarekonzepte und Bibliotheken für alle Frequenzbereiche von niederfrequentem Sonar über klassische medizinische Bildgebung bis hin zur hochfrequenten Ultraschallmikroskopie erstellt und bestmöglich zusammengefasst. So können wir auf für vielfältige Anwendungen nutzbare, gemeinsame Ressourcen für die Steuerung von Ultraschall-Hardware, Signalverarbeitung mitsamt Parameterextraktion, als auch Visualisierungstechniken für 2D- und 3D-Bildgebung und -verarbeitung zurückgreifen.

Unsere Softwarekomponenten kommen hierbei sowohl in Firmware und embedded-Software in Messsystemen, als auch in klassischen Desktop-Anwendungen, eigenständig oder vernetzt, bis hin zu mobilen Apps auf Smartphones und Tablets zum Einsatz. Oft teilen alle diese Systeme die heutzutage zahlreich gestellten Forderungen nach Qualität und Zuverlässigkeit. Diese erreichen wir durch Prüfung unserer Kerntechnologien aber auch von individuellen Softwaresystemen, die wir in klassischen oder agilen Entwicklungsprozessen entwickeln, sowohl als Medizinprodukte oder entsprechend industriellen Anforderungen.

Im Bereich der Systemintegration führen wir die Anwendungsintegration aller Einzelkomponenten zu Gesamtsystemen durch. Hierbei wird die Kompatibilität und Interaktion von unterschiedlichsten Softwarekomponenten meist im Zusammenspiel mit Messtechnik und Mechanik (Aufbau mit zusätzlicher Aktorik und Sensorik) sichergestellt und zur Produktreife optimiert. Für diese Systeme werden kundenspezifische Softwarelösungen erstellt und auch die Komplettsysteme entweder als Medizinprodukt oder entsprechend industrieller Anforderungen geprüft. Neben klassischen medizinischen Bildgebungskomplettsystemen konnten wir diese Integration auch in zahlreichen Spezialanwendungen, wie beispielsweise multimodaler und hybrider Bildgebung (parallele MR+US, US+Optik wie Optoakustik,...), und funktioneller Bildgebung erfolgreich durchführen.

 

Phased-Array Ultraschallforschungsplattform

Die Signal- und Bildqualität von Ultraschallsystemen werden stark durch die genutzten Beamforming-Verfahren definiert. Seit Kurzem bieten auch moderne ultraschnelle Ultraschall-Bildgebungsverfahren eine technische Lösung für die Bildgebung jenseits klassischer Fokussierungstechniken und linienbasierter Aufnahme. Hierbei spielen eine freie Programmierbarkeit von Sendesequenzen, Schallstrahlformung, Amplitudengewichtung, Puls-Kodierung und Ansteuerung freier Ultraschallwandler-Geometrie eine große Rolle.

Die Entwicklung neuer Verfahren auf Basis moderner Technologien und Ansätzen in Forschung und Produktentwicklung erfordert offengelegte Steuer- und Verarbeitungsmöglichkeiten sowie Anpassungen an die speziellen Anforderungen.

Das Ultraschallforschungssystem »DiPhAS» bietet diese volle Kontrolle über alle Beamforming- und Verarbeitungsparameter bereits in neunter Gerätegeneration an. Das System wird von einem herkömmlichen PC kontrolliert und über flexible aber einfache Schnittstellen programmiert. Das System nutzt moderne massiv-parallele Verarbeitung in der GPU (Grafikprozessor) für berechnungsintensive Aufgaben wie Beamforming zur Echtzeit-Bildgebung und weitere komplexe Analysen. Basierend auf dem softwarebasierten Ansatz sind kundenspezifische Anpassungen und individuelle Erweiterungen vergleichsweise schnell umsetzbar. Dies ist durch die offengelegten Schnittstellen im SDK auch für unsere Anwender im gleichen Maße möglich. Für die Systeme sind auch kundenspezifische Anpassungen an Hardware, Firmware und Software möglich, so dass die DiPhAS-Plattform die am besten angepasste Lösung für ihr individuelles Problem darstellt.
Neben dem klassischen medizinischen Ultraschallsystem bieten wir für alle kundenspezifischen Varianten auch die benötigten Dokumentationen und Prüfungen für Ihre Anwendung, egal ob Einzelstück oder OEM-Produktentwicklung, an.

Weitere Informationen finden Sie hier in der detaillierten Beschreibung des Systems.

Ultraschallforschungssoftware

© Foto Fraunhofer IBMT

Ultraschall-Forschungssoftware Offline Analysesoftware.

Die Entwicklung neuer Verfahren und Techniken in Ultraschallbildgebung und -signalverarbeitung basieren meist auf der Erfassung und Verarbeitung von hochfrequenten Ultraschall-Rohdaten sowohl vor als auch nach dem Beamforming.

Bestehende kommerzielle Ultraschallplattformen mit Forschungsschnittstelle bieten meist nur einen eingeschränkten Zugang zu allen relevanten Parametern und Daten.

Wir bieten eine Software-Architektur in unserer Ultraschallforschungsplattform DiPhAS, die speziell auf alle Varianten und Möglichkeiten der skalierbaren Mehrkanalelektronik angepasst ist. Es können hiermit jegliche Systemparameter der Signalerzeugung, Datenerfassung als auch Datenverarbeitung über einfache aber umfangreiche Schnittstellen kontrolliert werden. Arithmetisch komplexe Algorithmen liegen als massiv parallelisierbare Versionen vor, die auf GPU-Plattformen effizient ausgeführt werden, um moderne „ultrafast beamforming“ Bildgebung und -verarbeitung (HF-Signalverarbeitungen, Scankonvertierungen, 3D-Rekonstruktionen) in Echtzeit umzusetzen.

Die skalierbare Elektronik und deren Softwaresteuerung wird nach entsprechenden Prüfungen auch in medizinischen Systemen verwendet und nutzt die Möglichkeit eines einzigartigen geschlossenen Regelkreises für die Anwendung und Test neuer Algorithmen und Verfahren ohne eine klinische Validierung zu verlieren.

Weitere Informationen finden Sie hier in der Beschreibung über die Softwarearchitektur für Ultraschallforschung.

App-basierte, mobile Ultraschallsysteme

© Foto Fraunhofer IBMT

90mm

Mobile Systeme gewinnen heutzutage aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten immer mehr an Bedeutung und die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Hardware ermöglicht immer mehr Anwendungen, die bis vor Kurzem mobil noch nicht umgesetzt werden konnten.

Bestehende mobile Ultraschalllösungen bieten in der Regel nur eine Anzeige gespeicherter Bilddaten oder der Erfassung vorberechneter Messdaten aus einer an das Gerät angeschlossenen Ultraschallelektronik.

Wir implementierten die volle Ultraschall-Signalrekonstruktion und -verarbeitung auf iOS-Geräten wie iPad oder iPhone. Die Rohdaten der Ultraschallelektronik können ressourcensparend auf ein mobiles Endgerät transferiert werden, um dort das Beamforming, die Datensignalverarbeitung sowie Bildgebung in einer App durchzuführen. Weiterhin sind hierbei auch noch zusätzliche Gewebecharakterisierungen und spektrale Analysefunktionen auf Basis der Rohdaten möglich.

Die Verlagerung der Logik in ein (kommerziell verfügbares) Endgerät hilft die Kosten einer mobilen Ultraschallhardware zu reduzieren.

Unsere mobilen Ultraschalltechnologien können nicht ausschließlich für Bildgebung genutzt werden, sondern in speziell auf die Anforderung angepassten Versionen auch sehr kostengünstig für allgemeine Messanwendungen in Medizin und Technik angewandt werden.

Weitere Informationen zu der iPhone und iPad App für mobile Ultraschall-Signalverarbeitung finden Sie hier

Filter-Entwicklung durch Analyse von Rohsignalen und Parameter-Extraktion

© Foto Fraunhofer IBMT.

Ultraschall-Dämpfungsänderung bei thermischer Gewebebehandlung.

Ultraschall ist eine mechanische Welle, die ihre Eigenschaften (z. B. Frequenz, Amplitude und Phase) während der Ausbreitung durch ein Medium ändert. Diese Änderungen können gemessen und genutzt werden, um Aufschlüsse über die Beschaffenheit des Mediums zu erhalten.

In speziellen Ultraschallsystemen für die Anwendung in der Forschung können auf Basis angepasster Methoden der Schallerzeugung in Kombination mit Algorithmen der Signalverarbeitung solche Informationen erfasst und abgeleitet werden. Dies kann man beispielsweise im klinischen Umfeld nutzen, um Zusatzinformationen für Diagnosen zu erhalten oder qualitativ hochwertigere Bilder zu erzeugen. Hierbei können sowohl moderne Verfahren der ultraschnellen Ultraschallbildgebung, wie ultraschneller Doppler-Bildgebung, Speckle-Tracking (z. B. vektorielle Bildgebung von Flüssen), Scherwellen-Elastografie, aber auch klassische Verfahren wie harmonische Bildgebung und Analyse der Streuamplitude oder der Dämpfung helfen. Neue Ansätze können entsprechend den Anforderungen der Anwendung umgesetzt, angewendet, bewertet und weiterentwickelt werden, um schließlich auch einer Produktentwicklung zu resultieren.

Ein wichtiges Thema hierbei ist stets die Prüfung der automatisierten Analyse zur Generierung zuverlässiger und reproduzierbarer Ergebnisse beispielsweise zur Therapiekontrolle und Steuerung von Ablationsprozessen.

Sonarsysteme

Die Sonarsysteme basieren auf der Niederfrequenz-Version der Ultraschallforschungsplattform DiPhAS und implementieren neben angepassten mechanischen Aufbauten auch spezielle Beamforming-Verfahren für die Sonar-Bildgebung. Basierend auf dieser Mehrkanal-Elektronik und Spezialantennen wurden Fächerlote („Multi Beam Echo Sounder“) für direkte zweidimensionale Sonar-Bildgebung als auch Spezialsysteme für schnelle volumetrische Sonar-Bildgebung entwickelt.

Die wichtigsten Merkmale für ein Sonar-Beamforming-System ist die niederfrequente Signalerzeugung und geringes Rauschen im Empfang. Dies wurde im 128-Kanal-Beamformer mit niedrigem Stromverbrauch und passivem Kühlkonzept kombiniert.

Volumendaten werden durch Nutzung spezieller Antennen im Mills-Cross-Design und defokussierter Schallausbreitung frequenzkodierter Signale mit Linear-Array-Antennen erzielt. Diese liegen mit Mittenfrequenzen bis zu 2 MHz vor und ermöglichen somit auch hochaufgelöste Sonarkameras. Durch die kompakten Maße der Systeme (Schuhkarton-Größe) können diese in verschiedenste AUV- und ROV-Systeme mechanisch und elektronisch integriert werden. Die Kommunikation und Datentransfer erfolgt über Gigabit-Ethernet an einen PC für autonome Datenerfassung und Navigation bei Unterwassermissionen.

Ultraschall- forschungsplattform

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