Medizinische Ultraschalldiagnostik

Messung der Gewebeelastizität zur Tumorfrüherkennung

Laufzeit: seit Oktober 2007

Film über ein neues Ultraschallverfahren zur Verbesserung der Detektion von Brusttumoren

Die ultraschall-basierte Messung verschiedener elastischer Eigenschaften von menschlichem Gewebe, auch "Strain Imaging" oder "Elastographie" genannt, ist eine relativ neue Methode in der medizinischen Diagnostik. Dies stellt für die medizinische Diagnoseerstellung hinsichtlich der Tatsache, dass viele pathologische Veränderungen mit den heute üblichen Ultraschalluntersuchungen nicht dargestellt und somit auch nicht entdeckt werden können, eine wichtige Verbesserung dar. Mit Hilfe des "Strain Imaging" können viele pathologische Veränderungen wie z.B. Tumore erkannt werden, da diese nahezu immer veränderte elastische Gewebeeigenschaften aufweisen. Die medizinische Diagnostik lässt sich für verschiedene Organe wie beispielsweise Brust und Prostata aber auch Leber, Schilddrüse, Hoden, etc. verbessern.

Die aktuellen Statistiken der Weltgesundheitsorganisation (WHO) für Deutschland weisen Krebserkrankungen mit 27% als die zweithäufigste Todesursache hinter Herzkreislauferkrankungen mit 47% aus. Sehr ähnliche Zahlen gelten im Übrigen für alle Industrienationen. Jede siebente Frau erkrankt mittlerweile zumindest einmal im Leben an Brustkrebs, welcher die zweithäufigste Krebsart bei Frauen ist. Aber noch alarmierender ist die Tatsache, dass das Alter von Brustkrebspatientinnen innerhalb der letzten Jahrzehnte rapide gesunken ist. Heutzutage erkranken bereits Mädchen mit 17 Jahren an Brustkrebs. Die Ursachen für diesen Trend sind zurzeit noch unbekannt, weshalb verstärkte Forschungsanstrengungen zur Entwicklung neuer Diagnosemethoden unternommen werden.

Die Standardmethode zur Brustkrebserkennung und Früherkennung ist momentan die Mammographie mit Röntgenstrahlung. Jedoch gibt es in letzter Zeit kontroversielle Diskussionen bzgl. der Verringerung der Mortalitätsrate von Brustkrebspatientinnen und der Vertretbarkeit der Gesundheitsrisiken aufgrund der applizierten Strahlendosis im Rahmen von Screening-Programmen. Aus diesem Grund wurden auf Ebene der Europäischen Union beispielsweise neue Richtlinien zur Qualitätssicherung von Mammographieuntersuchen eingeführt (European Guidelines for Quality Assurance in Mammography Screening and Diagnosis). Des Weiteren ist die Mammographie nicht für die regelmäßige Vorsorgeuntersuchung bei jungen Frauen geeignet, da deren Brustgewebe extrem sensitiv auf ionisierende Strahlung reagiert. Aufgrund der genannten Tatsachen wird klar, dass alternative Diagnosemethoden von zentralem Interesse und deshalb auch sehr aktive Forschungsgebiete sind.

Neue medizinische Diagnosemethoden welche mit Ultraschallwellen arbeiten, bieten hier einige Vorteile: Keine Gesundheitsrisiken durch die Untersuchung, geringe Kosten, weit verbreitete Verfügbarkeit im Vergleich zu z.B. Magnetresonanztomographie und hohe Mobilität. Da Tumore im Vergleich mit gesundem Gewebe häufig gleiche Schallausbreitungs- und Reflexionseigenschaften besitzen, und somit nicht mit konventioneller Ultraschallbildgebung entdeckt werden können, ist diese alleine auch nicht zur Brusttumorfrüherkennung oder gar zur Tumorklassifizierung in gut- bzw. bösartig geeignet. Ultraschall-basiertes "Strain Imaging" kann jedoch helfen den (diagnostischen) Stellenwert von nebenwirkungsfreier und patientensicherer, ultraschall-basierter Bildgebung in der Brusttumorfrüherkennung zu erhöhen.

Verschiedene Methoden für "Strain Imaging" mit 1-D und 2-D Echodatenakquisition und Signalverarbeitung wurden von zahlreichen internationalen Forschergruppen in den letzten Jahren entwickelt und getestet. Erste klinische Studien zeigen vielversprechende Resultate aber auch die Notwendigkeit für weitere Verbesserungen (z.B. 3-D "Strain Imaging"). Die große Bedeutung von 3-D Ultraschall in der klinischen Diagnostik ist heute unumstritten und nimmt rapide zu. Hersteller medizinischer Ultraschallscanner arbeiten intensiv an der Entwicklung von Schallköpfen zur Aufnahme von 3-D Echodaten in Echtzeit. Mit Hilfe dieser Schallköpfe wird auch 3-D "Strain Imaging" bei Anwendung geeigneter echtzeitfähiger Signal- und Bildverarbeitungsmethoden bald möglich sein. Dadurch werden 3-D Einblicke in fundamentale Gewebeeigenschaften wie Elastizitäts-, Bulk- und Schermoduli, Anisotropie, Viskosität, Nichtlinearität, etc. zu gewinnen sein.

Das Hauptziel dieses Projektes ist die Entwicklung von prinzipiell echtzeitfähigen Signalverarbeitungsmethoden, welche die Sensitivität und Spezifität der Brusttumordetektion erhöhen. Die Untersuchung von Möglichkeiten zur Unterscheidung von gutartigen und bösartigen Tumoren ist ein weiteres Ziel um die Anzahl der Biopsien (heute der Goldstandard) signifikant zu verringern. Biopsien sind nicht nur sehr teure Untersuchungen, sondern können auch außerordentlich schmerzhaft sein und bringen meistens eine große psychische Belastung für die PatientenInnen mit sich. Biopsiestatistiken belegen jedoch, dass 75% der biopsierten Tumore gutartig sind. "Strain Imaging" hat deshalb auch das Potential vielen PatientenInnen den Schmerz und die belastende Wartzeit einer Biopsieuntersuchung zu ersparen.

Universelles Mikropositioniersystem und diveres messtechnisches Zubehör für die automatisierte Aufnahme von 3D-Echodaten mittels verschiedener Ultraschallköpfe und -systeme, wie beispielsweise dem abgebildeten Ultraschallscanner.

Ausgewählte Publikationen:

1. A. Eder, Ch. Kargel: "A new Method to Reduce the Computation Time of Fast Displacement Estimators for Ultrasonic Starin Imaging", To appear in the Proceedings of the 6th International Conference on the Ultrasonic Measurement and Imaging of Tissue Elasticity, New Mexico, USA, Nov. 2007
2. A. Eder, T. Arnold, Ch. Kargel: "Performance Evaluation of Displacement Estimators for Real-time Ultrasonic Strain and Blood Flow Imaging with Improved Spatial Resolution", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 46, no. 4, Aug. 2007
3. A. Eder, Ch. Kargel: "Fast displacement estimators for freehand ultrasonic strain imaging", Proceedings of the 14th International Conference on Systems, Signals and Image Processing IWSSIP 2007 and 6th EURASIP Conference Focused on Speech and Image Processing, Multimedia Communications and Services EC-SIPMCS 2007, Maribor, Slovenia, June 2007