Ultraschall gehört zur Routine in Kliniken. Schnell, günstig, ohne Strahlenbelastung. Doch das Verfahren zeigt vor allem Struktur – und meist nur in Graustufen und 2D. Ein Forschungsteam aus den USA erweitert diesen Blick jetzt deutlich. Es kombiniert klassischen Ultraschall mit der sogenannten photoakustischen Bildgebung.
Das Ergebnis sind farbige 3D-Bilder, die nicht nur Gewebeformen zeigen, sondern auch, wie Blut durch Gefäße fließt. Entwickelt wurde das Verfahren von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des California Institute of Technology und der University of Southern California.
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Zwei Verfahren, zwei Schwächen
Klassischer Ultraschall nutzt Schallwellen, die von Gewebegrenzen reflektiert werden. So entstehen schnelle Schnittbilder, allerdings mit begrenztem Sichtfeld und ohne funktionelle Informationen. Die photoakustische Tomographie (PAT) setzt an einem anderen Punkt an. Hier wird kurzes Laserlicht ins Gewebe geschickt. Moleküle wie Hämoglobin absorbieren das Licht, dehnen sich minimal aus und erzeugen dabei Ultraschallwellen. Diese lassen sich messen und farbig darstellen. So wird sichtbar, wo Blut fließt und wie gut es mit Sauerstoff versorgt ist.
PAT liefert also funktionelle Informationen, zeigt aber Strukturen nur grob. Andere Verfahren wie CT oder MRT können beides, sind jedoch teuer, langsam oder benötigen Kontrastmittel und teils ionisierende Strahlung. Genau hier setzt der neue Ansatz an.
Ultraschall und Licht in einem System
Die neue Technik heißt RUS-PAT. Das Kürzel steht für eine Kombination aus Rotations-Ultraschalltomographie und photoakustischer Tomographie. Treibende Kraft hinter dem Konzept ist Lihong Wang, Professor für Medizintechnik und Elektrotechnik am Caltech. Er entwickelte PAT bereits vor mehr als 20 Jahren.
Das Ziel des Teams war klar: Struktur und Funktion in einem einzigen, praktikablen System erfassen. „Aber das ist nicht einfach eins plus eins“, sagt Wang. „Wir mussten einen optimalen Weg finden, um die beiden Technologien zu kombinieren.“
Der Knackpunkt lag in der Hardware. Klassischer Ultraschall benötigt viele einzelne Wandler. Das wäre in Kombination mit PAT zu komplex und zu teuer. PAT selbst braucht hingegen nur Empfänger für Ultraschall. Daraus entstand eine neue Idee.
„Ich dachte: ‚Moment mal, können wir nicht einfach die Lichtanregung von Ultraschallwellen in der photoakustischen Tomographie nachahmen, aber mit Ultraschall?‘“, erklärt Wang.
Rotation statt Detektorwald
Im neuen System senden wenige Ultraschallwandler breit gefächerte Wellen ins Gewebe. Gleichzeitig erfassen dieselben Detektoren sowohl die reflektierten Ultraschallsignale als auch die durch Laserlicht erzeugten photoakustischen Wellen. Die Detektoren sind bogenförmig angeordnet und rotieren um den Messpunkt. So verhalten sie sich rechnerisch wie ein dichter, halbkugelförmiger Detektor – jedoch mit deutlich weniger Technik.
Das reduziert Kosten und Komplexität erheblich. Gleichzeitig entstehen 3D-Datensätze, die Gewebestruktur und Blutfluss miteinander verknüpfen. Blutgefäße erscheinen farbig, Weichgewebe klar konturiert.
Erste Tests am Menschen
Das Team hat RUS-PAT bereits an freiwilligen Probandinnen und Probanden sowie an Patientinnen und Patienten getestet. Ein Scan dauert weniger als eine Minute. Aktuell erreicht das System eine Eindringtiefe von rund 4 cm. Das reicht für viele oberflächennahe Anwendungen.
„Die neuartige Kombination aus akustischen und photoakustischen Techniken beseitigt viele der wesentlichen Einschränkungen der in der aktuellen klinischen Praxis weit verbreiteten medizinischen Bildgebungstechniken“, sagt Charles Y. Liu, Mitautor der Studie. Er ist Neurochirurg an der USC und am Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center tätig.
Von Tumoren bis Nervenschäden
Besonders interessant ist das Verfahren für die Brustdiagnostik. RUS-PAT kann zeigen, wo ein Tumor liegt, wie er eingebettet ist und wie seine Durchblutung aussieht. Auch bei der Überwachung diabetischer Neuropathien sehen die Forschenden Potenzial. Hier lassen sich Nervenstruktur und Sauerstoffversorgung gleichzeitig erfassen.
Auch das Gehirn rückt in den Fokus. Die Technik erlaubt es, feine Strukturen zu beobachten und parallel die Hämodynamik zu messen, also Veränderungen im Blutfluss. Perspektivisch könnte Licht über Endoskope tiefer ins Gewebe eingebracht werden. Damit wären auch tiefer liegende Regionen erreichbar.
Noch befindet sich RUS-PAT in einem frühen Stadium der klinischen Entwicklung. Das aktuelle System passt unter ein Patientenbett und kombiniert Laser- und Ultraschalltechnik. Der nächste Schritt ist die weitere Miniaturisierung und der Übergang in größere klinische Studien.
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