Ultraschall: Optimale Diagnostik für alle

Bei modernen Schwangerschaftuntersuchungen gehört Ultraschalldiagnostik inzwischen zur Routine. Durch sie lassen sich das Alter und Geschlecht des Fötus bestimmen, aber auch körperliche Beeinträchtigungen, Wachstumsstörungen oder Fehlbildungen frühzeitig erkennen. Voraussetzung ist, dass die mittels Ultraschall erzeugten Bilder eine entsprechende Qualität aufweisen. Zwar hat sich die medizinische Diagnostik durch den häufigen Einsatz in den letzten Jahrzehnten erheblich verbessert, doch es gibt auch Probleme. Denn während Ultraschall immer nach demselben Prinzip funktioniert, ist jeder menschliche Körper individuell.

Etwa stellt zunehmendes Übergewicht in der Bevölkerung die Diagnostik vor Herausforderungen, "aber auch wenn eine Person sehr schlank oder sehr muskulös ist, sind die Voraussetzungen für gute Ultraschallbilder nicht mehr gegeben", sagt Otmar Scherzer, Leiter des Computational Science Center an der Uni Wien, der mit seinem neuen CD-Labor die Basis für Ultraschallgeräte der nächsten Generation schaffen will: "Die Bilder sind dann verzerrt oder verschwommen." Doch warum ist das so?

Unterschiedliche Gewebeschichten verändern die Schallgeschwindigkeit

"Die normale Ultraschalldiagnostik beruht im Wesentlichen auf der Annahme, dass der menschliche Körper aus Wasser besteht," erklärt Scherzer: "Je weiter man sich von dieser Annahme entfernt, desto schlechter wird die Bildqualität." Erklären kann man das so: Durch unterschiedliche Gewebeschichten, wie Muskeln oder Fett, verändert sich die Schallgeschwindigkeit. Die derzeitige Ultraschalldiagnostik beruht aber im Wesentlichen auf der Annahme einer konstanten Schallgeschwindigkeit.

Eine Gruppe von Wissenschafter*innen um den Mathematiker Scherzer will nun in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen GE Healthcare Lösungen für das Problem finden. In dem neu eröffneten Christan Doppler Labor für Modellierung und Simulation von neuen Ultraschallgeräten an der Universität Wien arbeiten Mediziner*innen, Physiker*innen und Mathematiker*innen an neuen Methoden, um die Bildqualität zu verbessern. "Wir wollen zur Erhöhung der Bildqualität beitragen, um Erkrankungen und Fehlbildungen in der pränatalen Diagnostik besser erkennen zu können", so Scherzer. Eine bessere Bildqualität kann durch passende Bildverarbeitungsalgorithmen sowie für individuelle Patient*innen optimierte Ultraschallwellen erzielt werden.

Astronomische Vorbilder

Der Mathematiker und sein Team greifen dafür auch auf Methoden der Astronomie zurück. In der Astronomie werden Sterne durch Teleskope, die auf der Erde stehen, beobachtet. "Dort ist die Wolkenschicht quasi ein Material, das die Bildgebung beeinflusst", so Scherzer. Große Teleskope würden oft in Wüsten aufgestellt, da die Luft dort trocken sei und es keine atmosphärischen Beeinflussungen gebe. "Wenn die Teleskope in Europa stehen, dann gibt es üblicherweise Wolken, die weggerechnet werden müssen," fährt er fort: "Und das macht man in der atmosphärischen Tomografie."

Das Verfahren kompensiert atmosphärische Turbulenzen mit optischen Teleskopen. Die Technik der "adaptiven Optik" reduziert dabei atmosphärische Störungen durch die Bewegung und Verformung der Spiegel des Teleskops. Das Team um Scherzer will nun untersuchen, ob sich diese Methoden zur Kompensation der schallgeschwindigkeitsbedingten Störungen für die Ultraschallbildgebung einsetzen lassen. Bei den Ultraschallgeräten soll der Effekt nun durch das Senden und Messen der Ultraschallsignale zeitlich beeinflusst werden. So hoffen die Wissenschafter*innen, die Diagnostik individuell an Patient*innen anpassen zu können.

Interdisziplinärer Austausch

Da das Team so interdisziplinär aufgestellt ist, gibt es gute Feedback-Möglichkeiten für die Forschenden. "Sobald wir eine neue Technik entwickelt haben, muss diese auch evaluiert werden", erläutert Scherzer den Ablauf: "Dafür hat es sich als sehr hilfreich erwiesen, Personen aus der Praxis einzubinden, also Ärzt*innen, die in der täglichen Routine stecken." Für dieses Feedback seien die Mediziner*innen im Team zuständig. Wenn dann eine neue Methode entwickelt wurde, geben die Forschenden ihre Erkenntnisse an GE Healthcare weiter: "In der Firma wird die neue Technik dann an den Geräten implementiert."

Generell steht in Christian Doppler Labors anwendungsorientierte Grundlagenforschung im Fokus, Wissenschafter*innen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Die Förderung der Labors ist üblicherweise auf sieben Jahre angelegt, die Finanzierung kommt von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen. Der Mathematiker Otmar Scherzer hofft, in dieser Zeit Methoden zu entwickeln, mit denen es möglich ist, bei jedem Menschen, unabhängig individueller Körperformen, mittels Ultraschalldiagnostik Bilder zu erzeugen, die eine genaue Diagnose erleichtern. (sn)