Krebsvorsorge mit Tiefblick
Versuchsaufbau des neuartigen Verfahrens zur Ultraschall-Computertomographie im Forschungszentrum Karlsruhe.
Noch immer ist bei Frauen der westlichen Welt Brustkrebs eine der häufigsten Karzinomformen, und noch immer endet er in 25 bis 30 Prozent der Fälle tödlich. Von entscheidender Bedeutung für eine erfolgreiche Therapie ist das möglichst frühzeitige Erkennen bereits kleinster Gewebeveränderungen. Hier setzt das Ultraschall-Computertomographie-System an, das von Wissenschaftlern des Instituts für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE) des Forschungszentrums Karlsruhe entwickelt worden ist. Die Ultraschall-Computertomographie ist ein neues bildgebendes Ultraschall-Verfahren, das die Aufnahme von Volumenbildern mit gesteigerter Auflösung, hohem Gewebekontrast und geringem Rauschen ermöglicht. In einem Versuchsaufbau wurden Objekte wie Strohhalme oder Nylonfäden in Gelatine eingebettet und mit dem Tomographen vermessen. "Dabei konnten selbst Strukturen von 0,1 Millimeter Größe und Zwischenräumen von 0,5 mm deutlich erkennbar gemacht werden", berichtet Projektleiter Dr. Rainer Stotzka. "Verglichen mit herkömmlichen Ultraschallgeräten, bedeutet dies eine um das Zehnfache verbesserte Bildqualität. Besonders für jüngere Frauen könnte die nebenwirkungsfreie Ultraschall-Computertomographie die Früherkennungsmethode der Zukunft sein."
Der neuartige Tomograph besteht aus einem mit Wasser als Koppelmedium gefüllten Zylinder, der mit Ultraschall-Wandlern besetzt ist. Einer dieser Wandler sendet einen kurzen Ultraschall-Puls in das zu untersuchende Objekt, und alle anderen Wandler zeichnen synchron die durchgehenden, reflektierten und gestreuten Signale auf. Danach sendet ein anderer Wandler einen Puls, dann wieder ein anderer usw. Auf diese Weise werden mit jedem gesendeten Puls Informationen über das gesamte Volumen gesammelt.
Nachdem die Funktionsweise des Systems mit einem Versuchsaufbau zur Erzeugung zweidimensionaler Querschnitte nachgewiesen werden konnte, soll im Sommer dieses Jahres ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Anwendungsreife vollzogen werden. Hierzu wird der Demonstrator eines 3D-Ultraschall-Computertomographen mit 1600 Wandlern und paralleler Datenaufnahme aufgebaut. Dieser Demonstrator wird sowohl erste Untersuchungen am lebendigen Gewebe als auch eine dreidimensionale Darstellung ermöglichen. Im Anschluss an diese Testreihe sind - in Zusammenarbeit mit der Universitätsklinik Jena - erste klinische Prüfungen geplant.
Nicht nur medizinisch, auch bei der technischen Realisierung haben die Karlsruher Forscher Neuland betreten: "Bei der Entwicklung des Ultraschall-Computertomographie-Systems vereinen wir innovative Konzepte aus Sensorik, Mikroelektronik, Hochleistungs-rechnen und Algorithmenentwicklung", beschreibt IPE-Leiter Prof. Dr. Hartmut Gemmeke die besondere interdisziplinäre Qualität des Projekts. So wurde am Institut eine Fertigungstechnik für die preiswerte Herstellung Tausender miniaturisierter Ultraschallwandler entwickelt, wie sie für die Erzeugung dreidimensionaler Gewebebilder benötigt werden. Entwickelt und gefertigt werden am IPE auch die Steuerelektronik des Tomographen sowie ein Hochleistungsrechner zur Weiterverarbeitung der enormen Datenmengen (mehrere Gigabyte pro Sekunde).
Als bildgebende Verfahren zur Brustkrebs-Diagnose haben sich in Deutschland die Röntgen-Mammographie, die Ultraschall-Untersuchung und die Kernspinresonanz-Tomographie (MR-Tomographie) etabliert. In Vorsorgeuntersuchungen wird hauptsächlich die Röntgen-Mammographie eingesetzt. Manche Gewebeveränderungen (z. B. Zysten) lassen sich mit dieser Methode aber nur kontrastarm oder gar nicht darstellen. Ergänzend wird häufig eine Ultraschalluntersuchung durchgeführt. Sie liefert wichtige diagnostische Informationen, ohne das Gewebe zu schädigen. Nachteile der konventionellen Ultraschalldiagnostik sind stark verrauschte Bilder mit geringer räumlicher Auflösung (nicht unterhalb 1 Millimeter), die dem Arzt einen großen Interpretationsspielraum aufzwingen. Indem der Ultraschallkopf von Hand geführt wird, deformiert er zudem das Gewebe; oft sind Veränderungen deshalb nicht eindeutig lokalisierbar. Außerdem ist es nicht möglich, konventionell erstellte Ultraschallbilder mit Bildern anderer Verfahren zu verknüpfen und computergestützt auszuwerten. All diese Nachteile lassen sich mit dem am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten Ultraschall-Computertomographie-Verfahren vermeiden.
Das neue Verfahren wurde bereits auf Fachmessen und Tagungen vorgestellt und mehrfach ausgezeichnet, zuletzt Ende März in Berlin auf dem Workshop "Bildverarbeitung für die Medizin 2004". Neben der medizinischen Diagnostik umfasst sein Anwendungsradius den gesamten Bereich der zerstörungsfreien Materialprüfung.
Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.
Justus Hartlieb 10. Mai 2004
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