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Mit Ultraschall das Gehirn untersuchen

Medizinische Bildgebung
Mit Ultraschall das Gehirn untersuchen

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Was eine Ultraschallquelle (blaue Scheibe in beiden Bildern) zu bieten hat: ein hexaedrisches Finite-​Elemente-Netz des Schädels und des Gehirns (links) sowie eine Momentaufnahme der resultierenden Ultraschallsimulation (rechts) (Bild:aus Physics of Med. Imag., 2022, Marty, P. et al. Medical Imaging 2022: Physics of Medical Imaging; 120313H (2022)
Medizinische Bildgebung | Aus seismischen Wellen lässt sich der Aufbau des Planeten rekonstruieren. Das Team um ETH-​Professor Andreas Fichtner nutzt dieses Wissen nun für die medizinische Bildgebung.

Die Seismologie nutzt die Ausbreitung von Wellen durch die Materie: Treffen seismische Wellen auf Materialunterschiede im Erdinnern, werden sie an deren Grenzflächen reflektiert und gebrochen. Das verändert die Geschwindigkeit der Wellen. Aus entsprechenden Messdaten lassen sich Details über das Erdinnere ableiten, wobei ausgefeilte Algorithmen und Hochleistungsrechner eingesetzt werden.

Andreas Fichtner, Professor am Institut für Geophysik der ETH Zürich, und sein Team nutzen ihr Wissen über die Wellenausbreitung aber auch für medizinischen Ultraschall. Anders als Computertomographie (CT) oder Röntgen ist dieser für den Körper nahezu unschädlich, die Geräte dafür sind transportabel. Zudem ist Ultraschall kostengünstiger als etwa die Magnetresonanz-Tomographie (MRT). Gemeinsam mit Medizinern hat Fichtners Gruppe bereits eine Methode entwickelt, um mit Ultraschall Brustkrebs früh zuerkennen.

Herausforderung für die medizinische Nutzung: Ultraschall muss durch die Schädeldecke

Nun geht es darum, wie sich das Gehirn mit Ultraschall untersuchen lassen könnte, um zum Beispiel Schlagfanfallpatienten zu überwachen oder Gehirntumore zu identifizieren. Doch Ultraschall durch die Schädeldecke zu bekommen, ist schwierig.

Ein neues Verfahren soll das überwinden. Die Schweizer Forscher entwickeln für die Simulation der Wellenausbreitung durch das Gehirn sowohl Algorithmen weiter wie auch ein spezielles Gitternetz. Herzstück ist dabei ein Softwarepaket namens Salvus. „Im Gegensatz zum herkömmlichen Ultraschall, der nur die Ankunftszeit der Wellen nutzt, verwenden wir in unseren Simulationen die gesamte Welleninformation“, sagt Patrick Marty, Doktorand in Fichtners Gruppe. Die Form der Welle, Frequenz, Geschwindigkeit und Amplitude an jedem Punkt ihrer Ausbreitung fließen in die Berechnungen ein. Ihr Modell entwickeln die Forscher mit einer MRT-​Aufnahme des Gehirns als Referenzbild. Auf einem Supercomputer führen sie dann Berechnungen durch, bis das simulierte Bild mit dem des MRT übereinstimmt.

Anders als beim herkömmlichen Ultraschall entsteht in komplexeres Bild

Anstatt eines für den herkömmlichen Ultraschall üblichen Graustufenbildes, das keine weiteren Informationen enthält, bekommen die Forschenden ein quantitatives Bild: Indem sie die Informationen des kompletten Wellenfelds nutzen, lassen sich die physikalischen Eigenschaften des Mediums – die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen durch das Gewebe, deren Dämpfung, aber auch die Dichte des Gewebes – an jedem Punkt im Gehirn korrekt abbilden. Das ermöglicht es, das Gewebe zu bestimmen und zu unterscheiden, ob es sich beispielsweise um Gehirnmasse oder Tumorgewebe handelt. Denn von Laborexperimenten kennt man die Dichte, Dämpfung oder Schallwellengeschwindigkeit der unterschiedlichen Gewebearten.

Die Forscher sind überzeugt, dass sich mit dieser Methode gesundes Gewebe von krankem schonend und kostengünstig unterscheiden lässt. Konkret könnte dieses Verfahren in einen Computer eingespeist werden, der in einem speziell entwickelten Ultraschallgerät integriert wird. Der Computer berechnet die von Sensoren erfassten Ultraschallsignale und liefert ein dreidimensionales Bild des untersuchten Gehirns. Doch bis das Verfahren in die klinische Praxis gelange, sei es noch ein weiter Weg, betonen die Forscher.

Jeder Schädel ist individuell: Das muss das Modell beim Ultraschall berücksichtigen

Eine besondere Herausforderung ist die aufgrund von Augen-​, Nasen und Kieferhöhlen komplexe Geometrie des Schädels. Diese muss in der Simulation genau modelliert werden, ohne dass dabei die Rechenzeit explodiert. Um dieses Problem zu lösen, arbeitet Patrick Marty an Methoden, die aus Hexaedern – kleinen Elementen mit sechs ebenen Flächen – individuelle numerische Gitter für beliebige Schädelformen erstellen. „Mit diesen verformten kleinen Würfeln sind wir 100 bis 1000 Mal schneller, als wenn wir mit Tetraedern arbeiten würden“, sagt Christian Böhm, Senior Scientist in der Gruppe Seismologie und Wellenphysik. Zudem profitiere das Projekt stark von neuen Entwicklungen bei Graphikkarten.

Die Forscher arbeiten mit Medizinern des Universitätsspitals Zürich zusammen, um die Techniken weiterzuentwickeln. Wenn es Marty in den nächsten drei Jahren seiner Doktorarbeit gelingt, die Verfahren für die Gittererstellung und Bildgebung des Gehirns weiterzuentwickeln, könnte diese Methode auch für andere Körperteile wie das Knie oder der Ellenbogen anwendbar sein. Dies wäre dann eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung eines entsprechenden Ultraschallgerätes.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Christian Böhm
E-Mail: christian.boehm@erdw.ethz.ch
Patrick Marty
E-Mail: patrick.marty@erdw.ethz.ch

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