Ultraschallbildgebung

Neue Techniken für die Forschung und den klinischen Einsatz

  • Abb. 1: Ultraschallsignalverarbeitung und Bildrekonstruktion auf „mobile devices“ (Fraunhofer IBMT App für Apple iPhone und iPad).Abb. 1: Ultraschallsignalverarbeitung und Bildrekonstruktion auf „mobile devices“ (Fraunhofer IBMT App für Apple iPhone und iPad).
  • Abb. 1: Ultraschallsignalverarbeitung und Bildrekonstruktion auf „mobile devices“ (Fraunhofer IBMT App für Apple iPhone und iPad).
  • Abb. 2: Unterschied zwischen klassischer Ultraschallbildgebung und schneller Plane-Wave-Bildgebung, bei der aus einem einzigen Sendepuls ein komplettes Bild rekonstruiert werden kann.
  • Abb. 3: Optoakustische Bildgebung am Kleintier und am Menschen. a,b) Molekulare Bildgebung von Arthritis am Mausmodell (a: Kontrollexperimente d. h. gesunde Tier und/oder keine Funktionalisierung, b: arthritische Tiere und Gabe von AK-funktionalisierten Nanopartikeln). c) optoakustische Bildgebung von subkutaner Vaskularisierung beim Menschen

Durch die Fortschritte in der Halbleitertechnik in den letzten Dekaden und der daraus resultierenden enormen Leistungssteigerungen von Prozessoren bei gleichzeitig sinkenden Kosten hat sich in der Ultraschalltechnik ein Paradigmenwechsel vollzogen. Während frühere Ultraschallbildgebungs-systeme aus dezidierten Hardwarekomponenten zur Verarbeitung der Signale und Rekonstruktion der Bilder bestanden, wird heutzutage ein immer größerer Teil der Signal- und Datenverarbeitung in die Software verlagert.

Flexibilität durch Modularität
Neben Kostenersparnissen und der Möglichkeit nahezu beliebig komplexe Algorithmen umzusetzen hat dieser Strategiewechsel vor allem einen großen Einfluss auf die Flexibilität der Systeme. Um das Spektrum an Anwendungen zu erweitern, ist nicht mehr zwingend eine neue Hardwaregeneration vonnöten. Durch die Nutzung von modularen Hardwarearchitekturen mit gemeinsamen Mainboards und applikationsspezifischen Frontboards kann ein gemeinsames Hardwarekonzept durch die Anpassung einzelner Komponenten an verschiedene Anwendungen und Frequenzbereiche (niederfrequenter Ultraschall, medizinische Anwendungen, hochfrequente Ultraschallmikroskopie) adaptiert werden. Die Verlagerung der Verarbeitung in die Software ermöglicht es unter Umständen sogar ein neues Anwendungsfeld durch die Integration eines weiteren aus einer Softwarebibliothek ladbaren Filters zu erschließen.

Während die Sendepfade in der Ultraschallelektronik weiterhin essentielle Bausteine darstellen, kann die Verarbeitung auf der Empfangsseite somit ab der Digitalisierung der Daten in Softwarekomponenten verlagert werden. Die Signalverarbeitung kann dann auf handelsüblichen PCs geschehen oder im Extremfall sogar auf Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik umgesetzt werden (Abb. 1). Während sich die erzeugten Ultraschallbilder nicht wesentlich von Bildern von früheren Hardwaregenerationen unterscheiden, liegen dem Bildaufbau prinzipiell andere Verfahren zugrunde.

Bildaufbau gestern und heute
Bei konventionellen Bildgebungsansätzen wird der Schall im Sendefall durch delay-gesteuerte Anregung des Wandler-Arrays jeweils auf eine einzelne Bildlinie fokussiert.

Aus den aufgenommenen Signalen konnte dann mit Beamforming-Algorithmen durch phasenkorrigierte Summation eine Bildlinie errechnet werden. Durch Wiederholung des Vorgangs konnte ein Bild Schritt für Schritt - bzw. Linie für Linie - aufgebaut werden. Bei neuartigen Verfahren wird dagegen auf eine Sendefokussierung verzichtet und mit ebenen Wellen (Plane-Wave) angeregt. Die rückgestreuten Signale können nach der Digitalisierung wieder mit Beamforming-Algorithmen rekonstruiert werden, wobei dies sowohl in der Ultraschallelektronik als auch in nachgeschalteter Hard- und Software (PC, mobile device) realisiert werden kann.

Dadurch, dass mit dieser Technik aus einem einzelnen Schuss ein komplettes Bild rekonstruiert werden kann (Abb. 2), wird das Nadelöhr „Datenübertragung" umgangen. Selbst bei der Nutzung von sogenanntem „Compound Imaging", bei dem mit ebenen Wellen aus verschiedenen Richtungen angeregt wird, kann aus wenigen Schüssen ein hochwertiges Bild erzeugt werden, was im Vergleich zum „Linie-für-Linie" Prinzip einem enormen Zeitgewinn entspricht.

Darüber hinaus werden Ultraschallsignale bei solchen Verfahren als hochfrequente „Kanaldaten" übertragen, sodass sie z. B. auch noch alle spektralen Informationen für eine weitergehende, zur reinen Rekonstruktion komplementären, Analyse beinhalten.

Die Flexibilität der Technik sowie der hohe Informationsgehalt in solchen Kanaldaten haben auch einen großen Einfluss auf die Ultraschallforschungslandschaft, da es Wissenschaftlern erlaubt neue Ansätze schnell umzusetzen und gegebenenfalls zu validieren. Die schnelle Verfügbarkeit von Kanaldaten ist zum Beispiel eine der Grundvoraussetzungen für neue Verfahren wie die Scherwellenelastographie oder die Nutzung der optoakustischen Technik zur (bio)medizinischen Bildgebung.

Scherwellenelastographie: klinische Anwendungen
Die Scherwellenelastographie wurde erst durch neue Hardwaregenerationen ermöglicht, bei denen der Bildaufbau nicht mehr Linienweise geschieht und somit Bildraten im kHz-Bereich realisierbar sind. Das Verfahren, welches bereits klinisch eingesetzt wird und einen nachgewiesenen Nutzen für die Diagnose unterschiedlicher Tumorerkrankungen aufweist, beruht auf der ortsaufgelösten Messung der Steifigkeit im Gewebe. Im Gegensatz zu konventionellen Elastographieverfahren, die auf manueller Kompression und der Messung der Gewebeverformung basieren, wird bei der Scherwellenelastographie die Geschwindigkeit gemessen, mit der sich Scherwellen im Gewebe ausbreiten. Aus diesem quantitativen Parameter lässt sich direkt der ebenfalls quantitative Wert der Gewebesteifigkeit ableiten, welcher sich signifikant zwischen Tumor- und gesundem Gewebe unterscheidet.

Starke Entwicklung auch in der Optoakustik
Die Optoakustik ist ein weiteres bildgebendes Verfahren, dessen Entwicklung in den letzten Jahren durch die Verfügbarkeit von flexiblen Ultraschallplattformen beschleunigt wurde. Bei dieser neuen Technik wird die Schallwelle nicht durch einen Ultraschallwandler erzeugt und an Übergängen mit hohem Impedanzsprung reflektiert, sondern im Gewebe selbst erzeugt. Dazu wird das zu untersuchende Gewebe mit einem gepulsten Laser bestrahlt.

Die Ausbreitung des Lichts im Gewebe ist dabei stark von den lokalen Streu- und Absorptionseigenschaften abhängig. Wenn das Licht auf stark absorbierendes Gewebe trifft, wird die optische Energie durch den thermoelastischen Effekt in einen Überdruck umgewandelt. Die dabei entstehenden akustischen Wellen können nach ihrer Ausbreitung in dem Medium (Gewebe) auf der Oberfläche von Sensoren aufgenommen werden. Als Sensoren kommen alle Arten von Ultraschallwandlern in Frage, insbesondere jedoch solche, die auch zur herkömmlichen Ultraschallbildgebung eingesetzt werden, sodass eine hybride Bildgebung ermöglicht wird. Die aufgenommenen Signale können dann durch die Nutzung von angepassten Beamforming-Rekonstruktionsalgorithmen in Querschnitts- oder 3D-Bilder umgewandelt werden, welche die Menge an lokal aufgenommener optischer Energie ortsaufgelöst darstellen.

Die Technik bietet somit den Vorteil eines wesentlich höheren Kontrastes als bei reinem Ultraschall. Während Impedanzen von Gewebe zu Gewebe nur wenig variieren, können sich optische Absorptionskoeffizienten zwischen verschiedenen Gewebetypen leicht um Größenordnungen unterscheiden. Im Gegensatz zu rein optischen Verfahren ist die Eindringtiefe nicht durch die Streuung im Gewebe begrenzt, sodass die Vorteile beider Welten - der hohe Kontrast der Optik und die geringe Streuung der Akustik - geschickt kombiniert werden können.

Molekulare Bildgebung durch Optoakustik
Während der klinische Einsatz trotz einiger abgeschlossener und laufender Studien noch in den Kinderschuhen steckt, wurde die Optoakustik im präklinischen Feld - insbesondere im Kontext der Kleintierbildgebung - bereits zu zahlreichen Fragestellung eingesetzt. Hierbei wird ausgenutzt, dass die optoakustische Technik zur molekularen Bildgebung eingesetzt werden kann. Dazu werden geeignete Kontrastmittel mit spezifischen Liganden, welche selektiv an die darzustellenden Marker binden, funktionalisiert. Als Kontrastmittel kommen dabei Moleküle oder Partikel in Frage, welche bei der zur Bildgebung eingesetzten Wellenlänge eine hohe Absorption aufweisen. So konnte zum Beispiel in Proof-of-concept Experimenten gezeigt werden, dass sich arthritische Entzündungsherde durch molekulare optoakustische Bildgebung nachweisen und lokalisieren lassen. Dazu wurden stäbchenförmige Partikel, sogenannte Gold-Nanorods, mit einem Absorptionsmaximum bei der genutzten Laserwellenlänge von 1064 nm mit dem medizinischen Antikörper Infliximab funktionalisiert und arthritischen Mäusen injiziert. Die Vermutung, dass die Signalerhöhung in den Gelenken auf eine lokalisierte Agglomeration der Partikel zurückzuführen ist, konnte durch histologische Untersuchungen verifiziert werden[1].

Neben dem Vorteil der Nutzung zur Molekularen Bildgebung liegen die Stärken der Optoakustik vor allem in der Skalierbarkeit der Technologie. Da die Signale direkt im Gewebe erzeugt werden wo vorhandene Strukturgrößen die Frequenzen der Ultraschallwellen vorgeben, können auch kleinste Gewebebestandteile dargestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich kleinste Blutgefäße unabhängig von dem vorhandenen Blutfluss weit jenseits der Auflösungsgrenze des Dopplerultraschalls darzustellen (Abb.3c). Durch die Nutzung von multispektralen Ansätzen können zudem funktionelle Parameter wie die Sauerstoffsättigung beprobt werden [2].

Fazit
Compound Imaging, Scherwellenelastographie und Optoakustik sind nur einige Beispiele für die Möglichkeiten, die der Transfer von Rechenleistung von dezidierter Ultraschallhardware in flexible Software mit sich bringt. Das somit vorhandene Potential, nahezu beliebig komplexe Algorithmen umzusetzen, wird auch in Zukunft neben der Miniaturisierung, der Automatisierung von Analyse und Auswertung und der Multimodularität einen der großen Trends in der medizinischen Ultraschalltechnik darstellen.

Literatur
[1] Fournelle et al.: Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 8, 346-354 (2012)
[2] Zhang et al.: Nature Biotechnology 24(7), 848-851 (2006)

 

Weitere Beiträge zum Thema: http://bit.ly/Bildgebung
Materialprüfung mit Ultraschall: http://bit.ly/GIT-Schall

 

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