Ultraschall trifft Erdbebenforschung = bessere Lungenüberwachung

In der Intensivmedizin zählt jede Minute. Doch gerade dort scheitert moderne Bildgebung oft an praktischen Hürden. Ultraschall-Computertomographie (USCT) gilt als strahlungsfreie und potenziell mobile Alternative zum klassischen CT. Doch bisher stand einer flächendeckenden Anwendung vor allem ein Problem im Weg: die genaue Positionierung der Sensoren.

Ein interdisziplinäres Team aus den USA und Brasilien hat nun eine Lösung gefunden – und dabei auf Wissen aus der Erdbebenforschung zurückgegriffen. Die Methode könnte die kontinuierliche Lungenüberwachung von Patientinnen und Patienten revolutionieren, insbesondere bei Atemwegserkrankungen wie COVID-19.

Sensoren in Bewegung – ein bekanntes Problem

Im Gegensatz zur klassischen CT, bei der der Patient durch ein starres Gerät geschoben wird, basiert die USCT auf Sensoren, die rund um den Körper getragen werden – beispielsweise an einem flexiblen Gurt. Doch jeder Atemzug verändert deren Position leicht. Das führt zu Bildverzerrungen und erschwert eine präzise Diagnose.

Die Mathematikprofessorin Jennifer Mueller von der Colorado State University (CSU) arbeitete bereits an einer Lösung für diese Herausforderung, als sich ein besonderer Kontakt ergab: Der brasilianische Maschinenbau-Doktorand Roberto Ceccato stieß zu ihrem Team und brachte frische Ideen ein.

Die Brücke zur Seismologie

Ceccato hatte bei seiner vorherigen Forschung das Standardwerk „Parameter Estimation and Inverse Problems“ genutzt. Einer der Autoren: Rick Aster, Professor für Geowissenschaften an der CSU. Als Ceccato Aster das Problem schilderte, schlug dieser eine Methode aus der seismischen Tomographie vor: die sogenannte statische Korrektur.

In der Seismologie hilft diese Technik dabei, die genaue Lage von Erdbebenherden zu bestimmen – auch wenn das Gestein die Laufzeiten der Wellen verzerrt. Die Forschenden übertrugen das Prinzip auf die Ultraschallbildgebung: „Es handelt sich um eine Art adaptive Brille, mit der die Verzerrung korrigiert wird, die entsteht, wenn man bei einem solchen Problem nicht genau weiß, wo sich die Empfänger und Quellen befinden“, erklärt Aster.

Digitale Rekonstruktion bringt Schärfe

Das Forschungsteam entwickelte einen Algorithmus, der die Sensorpositionen auf Basis der empfangenen Signale rekonstruiert – ähnlich wie Geophysiker geologische Schichten analysieren. In Simulationen und Versuchen mit künstlichem Gewebe aus ballistischem Gel zeigte sich: Die Bildqualität verbesserte sich deutlich. Feinere Strukturen konnten klarer dargestellt werden.

Damit wird eine kontinuierliche Lungenüberwachung am Krankenbett realistischer. Eine Technik, die nicht nur die Diagnose erleichtert, sondern auch bei der Einstellung von Beatmungsgeräten helfen kann. Besonders relevant ist das für Patient*innen mit akuten Lungenerkrankungen, bei denen sich der Zustand schnell ändern kann.

Mobil, sicher und fast einsatzbereit

Ein weiterer Vorteil: USCT arbeitet ganz ohne ionisierende Strahlung. Anders als bei klassischen CTs entfällt somit das Risiko für Gewebeschäden, das bei häufiger Anwendung entsteht. Auch der oft kritische Transport schwerkranker Patient*innen zur CT-Einheit wird unnötig – die USCT-Technik könnte direkt ans Krankenbett kommen.

Die Sicherheitsfreigaben sind weitgehend erfolgt. In Tierversuchen mit Schweinen wurde nachgewiesen, dass die verwendeten Ultraschallfrequenzen den Vorgaben der US-Arzneimittelbehörde (FDA) entsprechen. Jetzt steht die Methode kurz vor der klinischen Erprobung an Menschen.

„USCT hat das Potenzial, eine Echtzeit-Reaktion auf sich entwickelnde Zustände zu liefern, die früher behandelt werden können, bevor sie zu einem großen Problem werden“, sagt Jennifer Mueller. Und Ceccato ergänzt: „Mit dieser Lösung wird die kontinuierliche Lungenüberwachung am Krankenbett praktischer und hilft Ärzten, fundiertere Entscheidungen über Beatmungsstrategien zu treffen.“

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