物理情報ニューラルネットワークを用いたNV-Raw2Insights-USによる適応型超音波画像処理
NVIDIA が Hugging Face で公開した「Physics-Informed NV-Raw2Insights-US」は、物理法則を組み込んだ AI モデルにより超音波画像の生データから診断可能な画像へ変換する革新的なアプローチを示している。
キーポイント
物理学情報に基づく AI の導入
従来の純粋なデータ駆動型アプローチではなく、超音波伝播の物理法則をニューラルネットワークに組み込むことで、より正確で信頼性の高い画像生成を実現しています。
生データ(Raw Data)からの直接変換
従来の処理パイプラインを経由せず、超音波装置から出力される生の RF データを直接入力として扱い、AI が即座に診断可能な画像へ変換するエンドツーエンドの技術です。
Hugging Face でのオープンソース公開
NVIDIA の研究チームが Hugging Face Blog を通じてモデルとコードを公開し、医療 AI 分野における研究コミュニティへの貢献と実装の促進を図っています。
画像品質と計算効率の向上
物理制約によりノイズ低減やアーティファクト除去が強化され、少ないデータ量でも高品質な画像を生成できるため、臨床現場での実用性が期待されます。
生データに基づく適応型画像化
従来の再構築パイプラインではなく、超音波プローブから取得した生の信号(raw data)を直接学習することで、患者ごとの音速マップを推定し、リアルタイムで画像焦点を補正する。
DisplayPort を活用した実装
NVIDIA の Holoscan Sensor Bridge と FPGA を用いることで、既存の超音波スキャナ(ACUSON Sequoia)から生データストリーミングを可能にし、Blackwell クラス GPU 上で高速推論を実行する。
ソフトウェア定義型アーキテクチャ
ソフトウェアのみで既存医療機器に AI を統合でき、GPU メモリ上に生データが存在するため、新しい AI モデルをシームレスに追加・アップデートできる柔軟な基盤を提供する。
重要な引用
Physics-Informed NV-Raw2Insights-US
Adaptive Ultrasound Imaging with AI
This is the shift from raw ultrasound channel data to actionable insight: an AI system that doesn't just process ultrasound images, but actively understands and adapts to the physics of each individual patient.
By shifting ultrasound intelligence from traditional algorithms to an AI-driven Raw2Insights pipeline, we unlock a scalable path to AI-native imaging.
影響分析・編集コメントを表示
影響分析
この発表は、医療画像処理における AI のパラダイムシフトを示しており、単なるデータ学習に依存しない、物理的根拠に基づいた堅牢なモデル開発の重要性を浮き彫りにしています。特に超音波のような複雑な物理現象を扱う分野において、生成された画像の信頼性を高める上で決定的な役割を果たす技術であり、将来的にはポータブル超音波装置や遠隔医療における標準的な処理パイプラインとして普及する可能性が高いです。
編集コメント
医療 AI の分野では、データの量だけでなく「物理的整合性」をどう学習に組み込むかが次世代の鍵となります。今回のアプローチは、ブラックボックス化しがちな深層学習の結果を、医師が信頼できる根拠に基づいたものへと昇華させる重要な一歩です。
- イントロダクション
- Raw2Insights
- デプロイメント
- システム機能
- 結びの視点
イントロダクション
超音波(Ultrasound)は、その安全性、リアルタイム性、携帯性の高さ、そして低コストさから、最も広く使用されている医療画像診断手法の一つです。過去数十年間、超音波画像は手作業で設計された再構築パイプラインを用いて作成されてきました。このプロセスでは、豊富な生センサー測定値を最終的な画像に圧縮する一方で、体内の音速が一定であるといった物理法則に関する簡略化された仮定も行われてきました。
AIやファウンデーションモデルの時代において、自然な疑問が浮かびます。私たちは従来のビームフォーミング(Beamforming:音波の位相を制御して特定方向への感度を高める技術)パイプラインを超え、生データから直接学習し、通常は再構築過程で捨てられてしまう情報を利用できるでしょうか?もし可能であれば、どのような新たな機能が解放されるのでしょうか?
これらの質問への答えを見つけるため、NVIDIAとSiemens Healthineersの研究者たちが連携しました。この取り組みの結果として公開される再構築モデルが、NV-Raw2Insights-USです。
Raw2Insights
本質的に、超音波は画像ではありません。それは音です。臨床医が画面で最終的に目にするのは、体内から返ってくる数百万の微小なエコー(Echo:反射音)に基づいて再構築された画像です。しかし、その再構築プロセスにおいて、実際の組織内を音が進むという豊かさを示す生信号の多くが、簡略化されたり失われたりしています。
私たちのアプローチは、より初期の段階から始まります。完成した画像を基に処理するのではなく、NV-Raw2Insights-USは超音波プローブが捉えた生データ(Raw signals)から直接学習します。これは、音が体とどのように相互作用するかという最も近い表現です。これにより、モデルはより慎重に「聴き」、各患者が音波をどのように独自に変形させるかを理解することができます。
私たちのビジョンは、超音波画像処理におけるエンドツーエンドのAIを実現することであり、これはそのビジョンに向けた第一歩です。私たちはこのモデルのクラスを「Raw2Insights」と呼んでいます。
今回の最初のRaw2Insightsアプリケーションでは、適応型画像フォーカシングのための音速の推定を行います。その結果、各患者ごとにパーソナライズされた音速マップを生成し、それを用いて画像をリアルタイムで補正できるシステムが実現しました。かつては複雑で時間のかかる計算が必要だったものが、単一のAI処理パスで実行されるようになりました。これは、「生超音波チャネルデータ」から「実用的な知見」への転換であり、単に超音波画像を処理するだけでなく、個々の患者の物理法則を積極的に理解し適応するAIシステムを示しています。
デプロイメント
通常、臨床グレードの超音波スキャナでは、その高帯域幅のため生データ(チャンネルデータ)へのアクセスは容易ではありません。NVIDIAによって開発されたオープンソースのFPGA IPであるHoloscan Sensor Bridge(HSB)は、(RDMA over Converged Ethernetを介して、GPUへの高帯域幅・低レイテンシのデータ転送を可能にします。Altera Agilex-7 FPGA開発キットとNVIDIA Holoscan Sensor Bridgeを組み合わせることで、ACUSON Sequoia超音波スキャナのDisplayPort出力から生データ(チャンネルデータ)のストリーミングが可能になります。この技術を「Data over DisplayPort」と呼んでいます。その後、NVIDIA HSBはデータをパケット化し、データ収集およびAI推論のためにEthernet経由でNVIDIA IGXへ送信します。これにより、現代の高性能な計算能力を、高帯域幅のDisplayPort出力を用いて既存のスキャナアーキテクチャに統合する方法が示されています。
NV-Raw2Insights-USは、NVIDIA IGX ThorやNVIDIA DGX Sparkなどのシステム上で高性能なリアルタイムワークロードを処理するために設計されたエッジAIセンサー処理プラットフォームであるNVIDIA Holoscanを使用してデプロイされます。
データがGPUメモリに格納されると、NV-Raw2Insights-USはBlackwellクラスGPU上で加速された推論を実行し、患者固有の音速見積もりを生成します。この見積もりは超音波スキャナにストリーミングされ、ライブイメージングストリームにおける焦点の改善を可能にします。
システム機能
このデモンストレーションアーキテクチャは、開発と展開の両方で柔軟性を提供します:
- ## ソフトウェアのみでの統合:Data over DisplayPortを使用したソフトウェアのみの変更により、既存の医療機器へのNVIDIAアクセラレーションが可能になります。
- ## ソフトウェア定義超音波:このソフトウェア定義アプローチは、ソフトウェアアップデートを通じて継続的な改善を可能にします。
- ## モジュール式拡張:生超音波チャネルデータがすでにGPUメモリにあるため、新しいAIモデルをシームレスに統合できます。
結びの視点
超音波の知能を従来のアルゴリズムからAI駆動のRaw2Insightsパイプラインへ移行させることで、スケーラブルなAIネイティブイメージングへの道を開きます。再構築された画像ではなく生超音波チャネルデータから直接学習することで、NV-Raw2Insights-USは従来の仮定によって導入されるエラーを削減し、各患者に対してイメージングを効果的に適応させます。
このアーキテクチャは、今日の画像の鮮明さを向上させるだけでなく、次世代のAI駆動型診断システムのモジュール化された基盤を確立するものです。NV-Raw2Insights-USの上での開発を開始するには、こちらをご覧ください(GitHub / Model Weights / Dataset)。
参考文献
- 「超音波自動焦点合わせ:微分ビームフォーミングによる共通中心点位相誤差の最適化」、IEEE Transactions on Medical Imaging、Vol. 45、Issue 2、2026年2月。https://ieeexplore.ieee.org/document/11154013
- 「深層学習を用いた乳房超音波におけるパルスエコー音速推定の調査」、arXiv:2302.03064、2023年。https://arxiv.org/abs/2302.03064
- NVIDIA Holoscan SDK ドキュメント、https://developer.nvidia.com/holoscan-sdk
謝辞
本プロジェクトはSiemens-Healthineersと密接に協力して実施されました。AIおよび高度なプラットフォームグループのIsmayil Guracar氏とRickard Loftman氏の直接協力を含む、彼らの支援に感謝いたします。
この技術は現在調査開発の段階にあり、米国またはその他の国々において承認されておらず、販売もできません。将来の提供については保証されません。
原文を表示
- Introduction
- Raw2Insights
- Deployment
- System Capabilities
- Closing Perspective
Introduction
Ultrasound is one of the most widely used medical imaging modalities due to its safety, real-time capability, portability, and low cost. For decades, ultrasound images have been formed using a hand-engineered reconstruction pipeline that compresses rich raw sensor measurements into a final image while also making simplifying assumptions about physics, including a constant speed of sound throughout the body.
In the era of AI and foundation models, a natural question emerges: can we move beyond the traditional beamforming pipeline, learn directly from raw ultrasound sensor data, and make use of information that is normally discarded during reconstruction? And if so, what new capabilities does that unlock?
NVIDIA and researchers from Siemens Healthineers teamed up to find answers to these questions. The result of this work is a reconstruction model we are releasing called NV-Raw2Insights-US.
Raw2Insights
At its core, ultrasound is not an image—it’s sound. What clinicians ultimately see on the screen is a reconstructed picture built from millions of tiny echoes returning from the body. But in that reconstruction process, much of the original signal—the richness of how sound actually moved through tissue—is simplified or lost.
Our approach starts earlier. Instead of working from finished images, NV-Raw2Insights-US learns directly from the raw signals captured by the ultrasound probe—the closest representation of how sound truly interacts with the body. This allows the model to “listen” more carefully and understand how each patient uniquely shapes those sound waves. Our vision is to enable end-to-end AI for ultrasound imaging and this is the first step towards that vision. We call this class of models Raw2Insights.
In this first Raw2Insights application we estimate speed of sound for adaptive image focusing. The result is a system that can generate a personalized map of sound speed for each patient—and use it to correct the image in real time. What once required complex, time-consuming computation is now performed in a single AI pass. This is the shift from *raw ultrasound channel data* to *actionable insight*: an AI system that doesn’t just process ultrasound images, but actively understands and adapts to the physics of each individual patient.
Deployment
Typically raw ultrasound channel data is not easily accessible on clinical grade ultrasound scanners due to its high-bandwidth. Holoscan Sensor Bridge (HSB), is an open source FPGA IP developed by NVIDIA that allows high-bandwidth low latency data transfer to the GPU via (RDMA over Converged Ethernet). An Altera Agilex-7 FPGA development kit paired with NVIDIA Holoscan Sensor Bridge enables raw ultrasound channel data streaming from an ACUSON Sequoia ultrasound scanner’s DisplayPort outputs. We call this technology Data over DisplayPort. The NVIDIA HSB then packetizes the data and transmits it over Ethernet to NVIDIA IGX for data collection and AI inference. This demonstrates how modern high-performance computational capacity can be integrated with existing scanner architectures using high-bandwidth DisplayPort outputs.
We deploy NV-Raw2Insights-US using NVIDIA Holoscan, an edge AI sensor processing platform designed for high-performance, real-time workloads on systems such as NVIDIA IGX Thor and NVIDIA DGX Spark.
Once the data is in GPU memory, NV-Raw2Insights-US runs accelerated inference on a Blackwell-class GPU, producing a patient-specific sound-speed estimate. This estimate is streamed back to the ultrasound scanner, enabling improved focus in the live imaging stream.
System Capabilities
This demonstration architecture provides flexibility across both development and deployment:
- ### Software-Only Integration: NVIDIA acceleration of existing medical devices is possible with software-only modifications using Data over DisplayPort.
- ### Software-Defined Ultrasound: This software-defined approach enables continuous improvement through software updates.
- ### Modular Expansion: With raw ultrasound channel data already in GPU memory, new AI models can be integrated seamlessly.
Closing Perspective
By shifting ultrasound intelligence from traditional algorithms to an AI-driven Raw2Insights pipeline, we unlock a scalable path to AI-native imaging. Learning directly from raw ultrasound channel data rather than reconstructed images, NV-Raw2Insights-US reduces errors introduced by traditional assumptions and effectively adapts imaging for each patient.
This architecture not only improves image clarity today, but also establishes a modular foundation for the next generation of AI-powered diagnostic systems. You can get started developing on top of NV-Raw2Insights-US here ( GitHub / Model Weights / Dataset).
References
- "Ultrasound Autofocusing: Common Midpoint Phase Error Optimization via Differentiable Beamforming," IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 45, Issue 2, Feb. 2026. https://ieeexplore.ieee.org/document/11154013
- "Investigating Pulse-Echo Sound Speed Estimation in Breast Ultrasound with Deep Learning," arXiv:2302.03064, 2023. https://arxiv.org/abs/2302.03064
- NVIDIA Holoscan SDK Documentation, https://developer.nvidia.com/holoscan-sdk
Acknowledgement
This project was conducted in close collaboration with Siemens-Healthineers, we are appreciative of their support, including the direct collaboration of Ismayil Guracar and Rickard Loftman of the AI & Advanced Platforms group.
This technology is under investigational development and not cleared for or available for sale in the U.S. or other countries. Its future availability cannot be guaranteed.
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