Von der Erdbebenforschung zu Hirnuntersuchungen

18.11.2022

Forscher arbeiten daran, Ultraschall für nichtinvasive Hirnuntersuchungen einzusetzen, indem sie Methoden aus der Erdbebenforschung für die medizinische Bildgebung weiterentwickeln.

Treffen Erdbebenwellen auf unterschiedliche Gesteinsformationen im Erdinnern, werden sie gebrochen und reflektiert, dabei ändert sich ihre Geschwindigkeit. Die reflektierten Wellen messen die Seismologen an der Erdoberfläche, um die dreidimensionale Struktur der Erde zu rekonstruieren.

Die Messergebnisse geben nicht nur Aufschluss über die Gesteinszusammensetzung, sondern auch über Dichte, Druck oder Temperatur des Materials. Dazu setzen beispielsweise die Geophysiker an der ETH Zürich eine Software ein, die Wechselwirkungen von Erdbebenwellen vom Erdmantel (fest) zum Erdkern (flüssig) modelliert.

Warum nicht eine solche Software für Hirnuntersuchungen auf Basis von Ultraschall einsetzen? Im Vergleich zu Röntgenstrahlen oder Magnetresonanztomographie (MRT) wäre eine Ultraschall-Computertomographie (CT) risikoärmer und kostengünstiger für die Untersuchung von wasserhaltigem Weichteilgewebe. Damit könnten Gehirntumore identifiziert oder Schlaganfallpatienten überwacht werden.

3D-Darstellung

Bislang ließ sich Ultraschall nicht für Hirnuntersuchungen einsetzen, denn die Knochen der Schädeldecke dämpfen und reflektieren die Schallwellen stark und verhindern die korrekte Darstellung des Organs. „Viele Ultraschalltechniken, die derzeit zur Abbildung von Teilen des Gehirns eingesetzt werden, funktionieren nur ohne Schädel. Das heißt, sie eignen sich nur für chirurgische Eingriffe, bei denen ein Teil des Schädels vorübergehend entfernt wird“, erläutert Patrick Marty.

Gemeinsam mit Kollegen aus der Erdbebenforschung und Medizin entwickelt der Geophysiker eine nichtinvasive Ultraschall-Bildgebungstechnik. Dafür will er die von den Erdbebenforschern eingesetzte Algorithmen weiterentwickeln – in Analogie zum Aufbau unseres Planeten wäre der Schädelknochen der Erdmantel und das Weichteilgewebe der flüssige Erdkern. Das Gehirn sollt dreidimensional dargestellt werden und nicht wie sonst bei Ultraschallaufnahmen üblich mit Grauwerten.

Im Mittelpunkt des Forschungsprojekts steht die Simulation der Wellenausbreitung durch das Gehirn. Vor allem an den Materialgrenzen ist eine genaue Darstellung wichtig, um physikalisch korrekte Ergebnisse zu erhalten. Eine MRT-Aufnahme dient als Referenzbild. Die Berechnungen führt das Team mit einen Supercomputer durch – so lange, bis das simulierte Bild mit der MRT-Aufnahme übereinstimmt.

Rechenzeit reduzieren

„Im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschall, der nur die Ankunftszeit der Ultraschallwellen nutzt, verwenden wir für unsere Simulationen die gesamte Welleninformation“, berichtet Marty. Auf dieser Basis können die physikalischen Eigenschaften (Dichte, Dämpfung oder Schallgeschwindigkeit der unterschiedlichen Gewebearten) an jedem Punkt im Gehirn korrekt abgebildet werden. Damit soll es, hoffen die Wissenschaftler, erstmals möglich sein, krankes von gesundem Gewebe zu unterscheiden.

Eine besondere Herausforderung stellen Augen, Nase und Kieferhöhle dar. Um die komplexe Schädelgeometrie korrekt zu modellieren, wird sehr viel Rechenzeit benötigt. Für die Lösung dieses Problems nutzt Patrick Marty die sogenannte Finite-Elemente-Methode. Dabei wird ein Festkörper, dessen Festigkeit bzw. Verformung untersucht werden soll, in Teilkörper (üblicherweise in Quader oder Tetraeder) unterteilt – diese stellen die endlichen (finiten) Elemente dar.

Martys Verfahren jedoch beruht auf Hexaeder, dessen Koordinatenpunkte berechnet werden müssen, um individuelle Gitter für beliebige Schädelformen zu schaffen. „Mit diesen verformten kleinen Würfeln sind wir 100 bis 1000 Mal schneller, als wenn wir mit Tetraedern arbeiten würden“, kommentiert Christian Böhm, Wissenschaftler in der Gruppe Seismologie und Wellenphysik, und Mitglied des Forschungsteams.

Niedrige Frequenzen

Bis das Verfahren in den Klinikalltag kommt, wird es noch dauern. Künftige Produktentwickler des erhofften neuartigen Ultraschall-CT müssen beispielsweise den großen Rechenaufwand und damit die hohen Kosten für das Bildgebungsverfahren in den Griff bekommen.

Die Wissenschaftler hoffe, dass in Zukunft genügend Rechenleistung zur Verfügung stehen wird, um die Simulationsaufgaben auf einem einzigen Desktop-Computer durchzuführen, der mit hochwertigen Grafikprozessoren ausgestattet ist. Ohnehin werden das nicht die üblichen Standard-Ultraschallgeräte werden, meinen sie. Denn für das neuartige Bildgebungsverfahren werden spezielle Bauelemente (Transducer) benötigt, die Ultraschall mit niedrigen Frequenzen erzeugen.

Originalveröffentlichung
P. Marty et al.: Full-waveform ultrasound modeling of soft tissue-bone interactions using conforming hexahedral meshes, Phys. Med. Imag. 120313H (2022); DOI: 10.1117/12.2611548