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Ultraschall-Forschung – Welche Fortschritte sind in den nächsten Jahren zu erwarten?

Pressetext von Prof. Dr.-Ing. Helmut Ermert, Bochum
Vorbemerkung
Die technischen Fortschritte auf dem Gebieten Elektronik, Sensorik, Signal- und Bildverarbeitung in den letzten zwei Jahrzehnten haben sich auch positiv auf die medizinische Ultraschalltechnik ausgewirkt. Entsprechend ist der Verbreitungsgrad des diagnostischen Ultraschalls gestiegen, der wohl als die am häufigsten angewandte (und in der Gesundheitswirtschaft abgerechnete) medizinische Abbildungsmodalität angesehen werden kann.
Die technologischen Entwicklungen erlauben nun auch berechtigte Erwartungen, über die rein morphologischen Informationen der konventionellen Ultraschall-Bildgebung hinaus aus Ultraschallsignalen weitere Informationen zu gewinnen. Die Funktionsdiagnostik (Bewegung, Fluß) ist hier im Zusammenhang mit der Echtzeitfähigkeit und den verschiedenen Modalitäten der Dopplertechnik schon recht weit fortgeschritten, der Gewinn histologischer Informationen aus dem Gewebe mittels Ultraschall ("Sono-Histologie") gilt wissenschaftlich als anspruchsvoll und ist noch überwiegend im Forschungsstadium. Neben weiteren Fortschritten im gerätetechnischen Bereich sind hier Entwicklungsmöglichkeiten zu sehen.
Gerätetechnik
Auf dem Gebiet der Gerätetechnik sind Weiterentwicklungen der bereits erkennbaren Trends zu erwarten. Falls die technologischen Absätze zur Entwicklung neuartiger Ultraschallwandler und (flächenhafter) Wandlergruppen ("Arrays") weiter fortschreiten, wird es auf dem Gebiet des 3D bzw. 4D Ultraschall (4D = 3D Raum und 1D Zeit bzw. Echtzeit) Fortschritte geben, Bedarf besteht hier insbesondere an der Vergrößerung des Bildfeldes bei Beibehaltung des Echtzeitbetriebes, an Modifikationen für die interventionelle Anwendung sowie an Konzepten des Rechnersehens ("Computer-Vision") zur Bewältigung der Daten- und Informationsflut. Eine spezielle interventionelle Anwendung, der intravaskuläre Ultraschall (IVUS), der als Ultraschall-Katheter für die Diagnostik der Herzkranzgefäße konzipiert wurde, wird nur eine Zukunft haben, wenn sich der Anspruch des 3D-Kardio-Röntgen-CT, weiche und harte Plaques differenzieren zu können, als unrealistisch erweist.
Weitere Entwicklungen wird es auch auf dem Gebiet kleiner und tragbarer Geräte geben. Die Entwicklung vom ""Ultraschall-Oszillographen" der 60er Jahre über das rechnergesteuerte Ultraschallgerät bis hin zum Notebook mit Ultraschall-Maus wird sich fortsetzen. Die Frage nach dem schnurlosen Ultraschallwandler ist hier wegen immenser technologischer Anforderungen zurückhaltend zu beurteilen. Sehr wohl wird der Ultraschall aber auch in Konzepte der Telemedizin integriert werden.
Es gibt auch Entwicklungen bei organ- bzw. objektspezifischen Geräten. Im Bereich der Mammadiagnostik wird an Screeningverfahren gearbeitet, bei denen die (Röntgen-Mammographie mit Ultraschall kombiniert bzw. fusioniert wird. Auch wurde de Ultraschall-Computertomographie der 80er Jahre wiederentdeckt, hier verspricht man sich in der Mammadiagnostik Fortschritte aus der Nutzung von Transmissions-Ultraschall in Ergänzung zur Echosonographie. Weiterhin scheint der Einsatz spezieller Ultraschall-Systeme für die Diagnostik der mechanischen Konsistenz von Knochen im Zusammenhang mit der Diagnostik von Osteoporose an Interesse zuzunehmen. Hochfrequente Ultraschall-Systeme haben mit ihren Anwendungen am Auge und an der Haut bisher gerätetechnisch eine Nische ausgefüllt. Weiterentwicklungen sind hier in der Kleintierforschung und, beim Übergang zu noch höheren Frequenzen in Form der akustischen Mikroskopie, die bisher ihre Domäne in technischen Bereichen (Materialforschung) hatte, in der zellulären Diagnostik zu sehen.
Methoden
Ultraschall gilt als eine Bildgebungsmodalität, bei deren Anwendung eine große Erfahrung auf seiten des Untersuchers vorausgesetzt wird. Grund dafür ist die komplizierte wellenphysikalische Wechselwirkung des Ultraschalls mit dem Gewebe, die zu besonderen Effekten und Bildfehlern (Artefakten) führt. Durch neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Gerätetechnik hat sich hier zwar einiges gebessert, trotzdem besteht immer noch ein Bedarf darin, Ultraschall reproduzierbar, untersucherunabhängig und quantifizierbar zu machen. Das Ziel, den Ultraschall im diagnostischen Sinne intelligenter und treffsicherer zu machen, kann nur durch Verfeinerung der Methoden und durch Kombination des konventionellen Ultraschalls mit neuen Modalitäten der Bildgebung und Methoden der Daten- und Bildverarbeitung erreicht werden. Eine solche Modalität ist die Ultraschall-Elastographie, die gegenüber der MR-Elastographie echtzeitfähig ist. Sie macht Gewebeverhärtungen sichtbar und kann erfolgreich in der Tumordiagnostik und der Gefäßdiagnostik eingesetzt werden. Neue Ansätze der Mustererkennung haben die Verfahren der Ultraschall-Gewebecharakterisierung als eine Art nichtinvasiver "Sono-Histologie" verfeinert. Hier sind im Zusammenhang mit der Möglichkeit, ergänzend zum konventionellen B-Bild Bereiche krankhaft veränderten Gewebes (z.B. Visualisierung von Malignität) sichtbar zu machen, Fortschritte zu erwarten. Ultaschall-Kontrastmittel sind heute bereits ein nützliches Hilfsmittel in der Gefäßdiagnostik und in der Kardiologie. Die Perfusionsdiagnostik wird hier durch Fortentwicklung der Kontrastmittel und kontrastmittelspezifischer Abbildungseigenschaften die Visualisierung der Perfusion in kleinsten Gefäßen (Mikrozirkulation) verbessern, interessante Anwendungsgebiete sind das Gehirn (Schlaganfall) und Organe (Tumordiagnostik). Ein großes Potential liegt aber auch darin, daß die Kontrastmittel beim Ultraschall, anders als bei Röntgen, CT und MR, auf den Ultraschall reagieren und sich verändern. Es werden physikalische Effekte (Kräfte, Schwingungen, optische Effekte) und chemische Prozesse angeregt, die große Entwicklungsmöglichkeiten im Bereich objektspezifischer Abbildungsverfahren ("Targeted Imaging"), beim Transport und der ultraschallgezielten, lokalen Freisetzung von Wirkstoffen ("Drug Delivery") bis hin zur Nutzung im Bereich der molekularen Bildgebung erwarten lassen.
Da der Ultraschall hinsichtlich seiner intraoperativen Anwendung (chirurgische Navigation, Visualisierung intraoperativer Therapieverfahren) noch wenig erschlossen ist, wird es wegen der Bedarfslage hier weitere Entwicklungen geben. Ultraschall ist handlich und strahlenphysikalisch unbedenklich. Anwendungen in der intraoperativen, bildbasierten Navigation werden hier weiter fortschreiten, wenn die Möglichkeiten der Registrierung und Fusion mit präoperativen Bilddaten (Röntgen, MR) verbessert wird. Vielversprechende Ansätze sind hier vorhanden.
Ansprechpartner:
Prof. Dr.-Ing. Helmut Ermert
Institut für Hochfrequenztechnik
Sprecher des Kompetenzzentrums Medizintechnik Ruhr (KMR)*
Ruhr-Universität Bochum / IC 6 44780
Bochum
Tel.: 0234 32-22842, Fax: -14167
E-MAIL
http://www.hf.rub.de
http://www.kmr-bochum.de
*) Das KMR ist eines der acht vom BMBF in Deutschland eingerichteten Kompetenzzentren für die Medizintechnik. Themenschwerpunkt des KMR ist Ultraschall.
 
 
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