Günstig, strahlungsfrei und bald auch rauschfrei: Ein Echolot kann noch viel mehr bringen

„Für die Bildgebung ist das Echo das Arbeitspferd des Krankenhauses“, sagt Professor Richard Lopata von der Technischen Universität Eindhoven. Er fasst zusammen: „Die Messungen sind so schnell, dass Bewegungen sichtbar sind. Es ist günstig. Die Handhabung ist einfach, da das Gerät mobil ist. Echo kann außerdem häufig eingesetzt werden, da keine Strahlung entsteht. Bei Röntgen, MRT und CT ist das ganz anders.“

Ultraschallbilder sind viel weniger aussagekräftig als Röntgenaufnahmen, MRT und CT. Das Graustufenbild wirkt körnig, Geweberänder sind oft nicht scharf erkennbar. Das beeinträchtigt die Präzision. Und das Lärmproblem hat in den letzten Jahren zugenommen, da immer mehr Menschen übergewichtig werden und Schallwellen im Fettgewebe verzerrt werden.

Doch Forscher der Technischen Universität Eindhoven sind der Ansicht, dass mit dieser Technologie noch viel mehr erreicht werden kann, als derzeit erreicht wird. Zwei Forschungsgruppen arbeiten daran, den Ultraschall von zwei Seiten zu verbessern: einerseits durch bessere Messungen und andererseits durch einen innovativen Ansatz zur Signalverarbeitung.

Lopata leitet das Photoakustik- und Ultraschalllabor. In diesem Labor hat die Doktorandin Vera van Hal in den letzten Jahren die Technik entwickelt, Messungen mit zwei Ultraschallsonden durchzuführen. Letztendlich hofft Lopata, ein ganzes Band, einen Strumpf oder sogar eine Decke voller kleiner Echoköpfe herzustellen.

Ein Ultraschallgerät sendet über den Ultraschallkopf – im Fachjargon Sonde – Ultraschallwellen in den Körper, die sich dort mit 1.500 Metern pro Sekunde ausbreiten. Da verschiedene Gewebe die Wellen unterschiedlich reflektieren, ergibt die Interpretation der zurückkehrenden Schallwellen ein Bild in Grautönen. Ultraschall wird häufig in der Schwangerschaftsvorsorge und Kardiologie eingesetzt. Lopatas Labor arbeitet daher mit Kardiologen zusammen. Auch Untersuchungen von Muskeln, Leber, Magen und Darm werden zunehmend mittels Ultraschall durchgeführt.

Die Entdeckung, dass sich Gewebe mithilfe von Schallwellen visualisieren lässt, stammt aus den 1950er Jahren. Damals versuchten Ärzte, Magengeschwüre mit Vibrationen zu behandeln. „Aber das hat nicht funktioniert, weil der Ton vollständig zurückkam“, sagt Lopata. In den 1970er Jahren wurde es möglich, Ultraschallbilder in Echtzeit zu erzeugen und in den 1980er Jahren verbreitete sich diese Technologie immer weiter. Die MRT kam in den 90er Jahren auf. Ich studierte damals hier in Eindhoven, und alles drehte sich um MRT. Alle dachten, Ultraschall würde in absehbarer Zeit nicht mehr eingesetzt werden.

Neue Wiederbelebung

Nach dem Jahr 2000 erlebte die Ultraschalluntersuchung ein neues Revival. „Die Rechenleistung der Computer stieg und dank der Spieleindustrie wurden auch die Grafikkarten besser“, sagt Lopata. „Wir konnten plötzlich sehr schnell Ultraschallbilder aufnehmen und erzeugen.“

Die beiden Echoköpfe, mit denen Van Hal experimentiert hat, arbeiten zusammen. In einem Testaufbau im Labor werden sie auf einem Halbkreis aus Aluminium über einem Untersuchungstisch montiert, auf dem die Testpersonen liegen können. Die Echoköpfe senden abwechselnd Schallwellen aus und lauschen beide dem, was zurückkommt.

Anhand von Kaffeetassen veranschaulicht Van Hal, dass zwei Echoköpfe mehr hören als einer, da nicht alle Schallwellen in entgegengesetzte Richtungen zurückprallen, sondern manche in völlig unterschiedliche Richtungen. Die zweite Echosonde kann diese Wellen teilweise erfassen. „Normalerweise bewegt man die Sonde , um das Gewebe aus einem anderen Winkel zu betrachten, jetzt erfasst man mehr in einem Bild“, sagt Van Hal.

Auch die experimentellen Echoköpfe übertragen Schallwellen anders. Bei einer normalen Ultraschalluntersuchung werden die Bilder von links nach rechts aufgezeichnet, die Schallwellen werden linienförmig ausgesendet. Dadurch wird mit dem gesamten Echokopf gleichzeitig eine Schallwelle ausgesendet. „Mit herkömmlichem Ultraschall würde das zu einem sehr schlechten Bild führen“, sagt Van Hal. „Indem wir viele Bilder pro Sekunde aufnehmen und aus verschiedenen Winkeln arbeiten, können wir tatsächlich bessere Bilder erstellen.“

Ein Ultraschallbild des Bauchraums wird deutlich schärfer und kontrastreicher, wenn statt einer Ultraschallsonde zwei Ultraschallsonden gleichzeitig verwendet werden.

Fotos TU Eindhoven

Was dies für die Bauchaorta bedeuten könnte, das Blutgefäß, das vom Herzen zum Bauchraum führt, zeigte Van Hal, die mit Auszeichnung promovierte, in ihrer Dissertation. Ein Riss der Bauchaorta aufgrund eines Aneurysmas, einer Erweiterung eines arteriellen Blutgefäßes, ist eine der häufigsten Todesursachen in den Niederlanden.

Nachdem ein Aneurysma entdeckt wurde – oft zufällig – wird ein Patient regelmäßig überwacht. Ob eine Operation notwendig ist, wird derzeit anhand des Durchmessers des Aneurysmas beurteilt. Ob das Blutgefäß reißt oder nicht, hängt allerdings nicht unbedingt vom Durchmesser ab. Besonders wichtig sind die mechanischen Eigenschaften der Gefäßwand. Wie elastisch ist es noch?

In einem weiteren Versuchsaufbau im Labor gibt es mehrere durchsichtige Kunststoffarterien, gesunde und erweiterte Varianten. Sie gehören zu einem Glasbehälter mit einer Pumpe, die Wasser wie Blut durch die Kunststoff-Aorten pumpt. Bevor sie begann, mit Patienten zu arbeiten, scannte Van Hal diese Plastikaorten unzählige Male. Die Elastizität des Kunststoffes entspricht der Elastizität einer realen Gefäßwand.

„Manchmal reißt ein Aneurysma, bevor es seinen maximalen Durchmesser erreicht, weil es bereits seine Dehnung verloren hat“, sagt Lopata. Andererseits kommt es wahrscheinlich auch zu einer Übertherapie, da eine vergrößerte Aorta noch ausreichend flexibel sein kann. Flexibilität und Spannung der Gefäßwand lassen sich anhand von CT-Bildern berechnen. Veränderungen im Laufe der Zeit werden jedoch nicht überwacht, da ein Patient nicht alle drei Monate einen CT-Scan machen lassen kann. Deshalb wird dieser extreme Durchmesser untersucht.

Eine Lösung wäre daher, wenn sich die Elastizität zuverlässig mit Ultraschall messen ließe.

Auf ihrem Computer zeigt Van Hal die Ergebnisse ihrer Recherche. Sie zeigt Messungen mit Standardgeräten neben Messungen mit dem neuen Ultraschall. Auch ein Laie erkennt, dass die zweiköpfige Betrachtungsweise ein schärferes Bild ergibt. Im ersten ist ein Drittel der Gefäßwand deutlich sichtbar, im zweiten sind fast drei Viertel des Kreises ziemlich scharf. In einem anderen Beispiel lassen sich bewegliche Herzklappen besser erkennen. Es ist jedoch nicht so scharf wie ein CT-Bild.

Farben im Bild

Die Dehnbarkeit der Aorta kann im Ultraschallbild durch unterschiedliche Farben angezeigt werden. Dass dies mit herkömmlichem Ultraschall wenig aussagekräftig ist, zeigt ein Ring mit starken Farbveränderungen, den Van Hal zeigt. „Es scheint, als gäbe es große Unterschiede in der Elastizität. Das liegt daran, dass die Informationen unvollständig sind.“ Bei der Messung mit zwei Echoköpfen sind die Farbübergänge sanfter. „Das kommt der Realität viel näher.“

Ein Kollege von Van Hal hat an einem prädiktiven biomechanischen Modell gearbeitet, das auf Grundlage der gemessenen Dehnbarkeit Informationen über die Risswahrscheinlichkeit liefert. „Der nächste Schritt besteht darin, diese beiden Studien zu kombinieren“, sagt Lopata. „Dann kann für jeden Patienten festgestellt werden, wann eine Operation bei einem Bauchaneurysma notwendig ist.

An anderer Stelle auf dem Campus der Technischen Universität Eindhoven wird mit einem völlig anderen Ansatz versucht, schärfere Echobilder zu erzielen. Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Associate Professor Ruud van Sloun ist in der Fakultät für Elektrotechnik untergebracht. Sie bauen keine neuen Geräte, sondern wollen mithilfe neuer Verarbeitungstechniken mehr Informationen aus den von vorhandenen Geräten erzeugten Signalen extrahieren.

„Meine Arbeit beginnt in dem Moment, in dem reflektierte Schallwellen aufgezeichnet werden“, sagt Van Sloun. „Wir wandeln diese Messungen in ein Bild um. Vereinfacht gesagt berechnen wir zurück, woher jede Schallwelle, jedes Signal, kommt. Für ein einzelnes Signal ist das möglich, aber beim Echo kommen Tausende von Signalen gleichzeitig zurück, und das macht es schwierig. So, als würde man eine Handvoll Kieselsteine ​​in einen Teich werfen und anhand der Wellen an der Oberfläche ablesen wollen, wo jeder Kieselstein gelandet ist.“

Falsche Schätzung

Körnigkeit und Unschärfe sind die Folge einer falschen Einschätzung, woher ein reflektiertes Signal kommt. „Das sind Artefakte, ein Fehler im Bild, weil der Algorithmus keine richtige Einschätzung vornehmen kann“, sagt Van Sloun. „Fettgewebe verstärkt das Rauschen, weil sich die Schallwelle darin anders ausbreitet als im übrigen Gewebe und dadurch verbiegt. Diesen Effekt berücksichtigen wir nun in unseren Algorithmen, was bei bestehenden Echos noch nicht der Fall ist.“

Eine wesentliche Neuerung der Forschungsgruppe von Van Sloun ist die Verwendung generativer Modelle zur Signalverarbeitung. Mithilfe generativer Computermodelle können neue Daten generiert, ergänzt oder interpretiert werden. Ein bekanntes Beispiel ist ChatGPT, das auf Basis einer großen Textdatenbank neue Texte generieren kann. ChatGPT konzentriert sich auf Sprache, aber generative Modelle können auch auf andere Aufgaben ausgerichtet sein. In diesem Fall geht es um das Erstellen von Bildern aus Taschentüchern.

„Das Modell nutzt das Wissen über das Gewebe aus Trainingsdaten und früheren Messungen eines Patienten“, sagt Van Sloun. „Auch ohne alles in diesem Moment zu messen, kann man sich trotzdem ein gutes Bild machen. Unser Gehirn funktioniert auch so, es ergänzt vieles für uns, was bedeutet, dass wir aus begrenzten Beobachtungen viel verstehen. Aktuelle Echos tun das nicht und machen jedes Bild, als hätten sie noch nie zuvor ein Echobild gesehen.“

Schwieriger Punkt: Bei der medizinischen Bildgebung möchte man nicht das Gewöhnliche sehen, sondern Auffälligkeiten deutlich visualisieren. „Das ist eine der Herausforderungen, bei der umfangreiche Trainingsdaten von großer Bedeutung sind“, sagt Van Sloun. „Das Berechnungsmodell muss die gemessenen Informationen und die Trainingsdaten richtig auswerten können. Darüber hinaus kann man einen Algorithmus auch nach Abweichungen suchen lassen, nach Dingen, die nicht ins gewohnte Bild passen.“

Bewegtes Ultraschallbild mit einem Ultraschallkopf im Vergleich zu zwei Ultraschallköpfen. Mit zwei Ultraschallköpfen ist das Bild schärfer.

Auf seinem Bildschirm zeigt er Beispiele von Echos des Herzens, die tatsächlich weniger düster aussehen, vergleichbar mit den Bildern, die Van Hal zuvor gezeigt hat. „Was wir anstreben, funktioniert bereits recht gut. Generative Modelle und KI boomen , und zwar in allen möglichen Disziplinen. Davon profitieren wir sehr.“

Letztendlich hofft Van Sloun, noch einen Schritt weiter zu gehen. Sein Traum ist, dass der Algorithmus selbst herausfindet, worüber er mehr Informationen benötigt, und automatisch mehr oder schnellere Messungen an diesem bestimmten Punkt durchführt.

Natürlich funktioniert es auch für die Leber, die Blase, die Plazenta, den Magen-Darm-Trakt, alles

„Beispielsweise läuft eine elektrische Welle über die Herzwand, was eine bestimmte Art von Kontraktion verursacht“, sagt Van Sloun. „Diese Welle ist superschnell, und durch schnellere Messungen zu einem bestimmten Zeitpunkt kann so etwas besser visualisiert werden. Viele Bilder pro Sekunde aufzunehmen, in hoher Bildqualität zu messen und über eine große Fläche zu messen, ist mit Echo nie gleichzeitig möglich. Jetzt wird ein Kompromiss verwendet, der auf allen Ebenen einigermaßen gut funktioniert. Mit unserem Ansatz durchbrechen Sie diesen Kompromiss.“

Er nannte den Ansatz „kognitiven Ultraschall“. Beispiele liegen ihm noch nicht vor, da die Forschung gerade erst begonnen hat – dafür erhielt er vom Wissenschaftsfinanzierer NWO ein sogenanntes Vidi-Stipendium. „Wir müssen den Algorithmus dazu bringen, vorauszudenken und zu planen“, sagt Van Sloun. „Wir Menschen machen das ständig, größtenteils basierend auf unseren Vorstellungen von der Realität. Unser Gehirn verbraucht dafür erstaunlich wenig Energie. Aber es ist verdammt schwer, so etwas in Algorithmen zu erfassen.“

Vorerst konzentrieren sich Van Slouns Verbesserungen auf vorhandene Ultraschallgeräte. Er hofft, dass Innovationen auf diesem Weg schneller in die Klinik gelangen. Software lässt sich für Hersteller einfach leichter aktualisieren als komplette Hardware. Letztlich halte er eine Zusammenführung seiner Arbeiten mit denen Lopatas für durchaus denkbar. „Der Schritt, unser System auf neue Geräte anzuwenden, ist nicht so groß.“

Beide Forschungsgruppen beschäftigen sich viel mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen, die Erkenntnisse lassen sich jedoch auf den gesamten Körper übertragen. „Es wirkt auch auf die Leber, die Blase, die Plazenta, den Magen-Darm-Trakt, einfach alles“, sagt Lopata. „Ich hoffe, dass wir mit Ultraschall irgendwann dasselbe erreichen können wie mit MRT- oder CT-Scannern. Vielleicht sogar mehr, weil wir diese Informationen nun auch in Echtzeit erfassen können. Es wäre für das Gesundheitswesen sehr wertvoll, wenn wir diese teuren Scans seltener einsetzen könnten.“