Medizintechnik Bläschen im Ultraschall eröffnen den Blick auf winzige Gefäße
Auf Knopfdruck verbessert sich die Auflösung von Ultraschallbildern um das Fünffache. Möglich machen das im Blutstrom flitzende Bläschen und ein ausgefuchster Algorithmus.
Geübte Augen von Ärztinnen und Ärzten können im grau-weißen Geriesel eines Ultraschallbilds mehr erkennen als Laien. Kleinste Gefäßstrukturen allerdings nicht – bislang. Das Team vom Lehrstuhl Medizintechnik der Ruhr-Universität Bochum um Prof. Dr. Georg Schmitz perfektioniert die Ultraschall-Lokalisations-Mikroskopie, kurz ULM. Dank eines handelsüblichen Kontrastmittels mit Mikro-Bläschen und verschiedenen Rechenschritten ermöglicht sie es inzwischen, zum Beispiel die Gefäßstruktur einer Mausniere im kleinsten Detail abzubilden, oder auch die Gefäßstruktur von Tumoren. Darüber berichtet Rubin, das Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität Bochum.
Schmitz und sein Team arbeiten seit über zehn Jahren an dieser Technik. 2011 kam ihnen die zündende Idee, für die hochauflösende Darstellung von Gefäßen im Ultraschall ein Kontrastmittel einzusetzen, das aus Mikrobläschen besteht. Sie verteilen sich mit dem Blutstrom bis in die kleinsten Gefäße hinein, und sie reflektieren Ultraschallwellen so gut, dass sie im Bild weiß aufleuchten. „Das Kontrastmittel hält sich nur etwa zehn Minuten lang im Körper, dann werden die Bläschen abgebaut, und das Gas wird über die Lunge abgeatmet“, erklärt Georg Schmitz. Die Aufnahme der Bilder dauert nur 30 bis 90 Sekunden.
Die Mitte jedes Bläschens markieren
Um die Auflösung des Ultraschallbildes so beeindruckend zu vergrößern, sind mehrere Zwischenschritte notwendig. Die Eigenbewegung des Patienten oder der Patientin muss herausgerechnet werden. Im nächsten Schritt rechnet der von den Forschenden entwickelte Algorithmus den Bildhintergrund aus den Aufnahmen heraus, sodass nur die Bläschen dargestellt werden. Danach wird die Mitte jedes einzelnen Bläschens markiert. Und schließlich folgt die herausfordernde Berechnung, welches Bläschen welchen Weg zurückgelegt hat. „Unser Algorithmus betrachtet dafür immer eine Gruppe benachbarter Bilder und entscheidet nach der größten Wahrscheinlichkeit, welchen Weg ein Bläschen zurückgelegt hat“, erklärt Georg Schmitz.
Was schließlich nach wenigen Minuten bei der gesamten Berechnung herauskommt, ist ein Bild des Systems kleiner Gefäße, durch die sich die Bläschen hindurchbewegt haben. Man kann daraus sogar ablesen, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit die Bläschen hindurchgeströmt sind.
Therapieerfolg messen oder vorhersagen
„Die Richtung der Bewegung und die Gestalt der durchströmten kleinen Gefäße sind Informationen, die Ärztinnen und Ärzte ganz genau wissen wollen“, weiß Georg Schmitz aus der Zusammenarbeit mit klinischen Partnern in mehreren Projekten. „Denn daraus können sie Schlüsse ziehen, welche Charakteristika beispielsweise ein Tumor hat: Von wo aus wird er versorgt? Wie sehen die versorgenden Blutgefäße aus?“ Solche Informationen können Aufschluss darüber geben, wie aggressiv die Erkrankung ist und möglicherweise auch, welche Therapie funktionieren wird oder auch nicht. Wertvoll ist die Betrachtung der kleinsten Gefäße auch, um die Wirkung einer Chemotherapie zu überwachen. Die Ultraschall-Lokalisations-Mikroskopie ist zurzeit die einzige klinische bildgebende Methode, die solche feinen Blutgefäße in der Tiefe einiger Zentimeter sichtbar machen kann.
