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Forscher des MIT Lincoln Laboratory und ihre Mitarbeiter am Center for Ultrasound Research and Translation (CURT) des Massachusetts General Hospital (MGH) haben ein neues medizinisches Bildgebungsgerät entwickelt: den Noncontact Laser Ultrasound (NCLUS). Dieses laserbasierte Ultraschallsystem liefert Bilder von inneren Körpermerkmalen wie Organen, Fett, Muskeln, Sehnen und Blutgefäßen. Das System misst auch die Knochenstärke und könnte das Potenzial haben, Krankheitsstadien im Laufe der Zeit zu verfolgen.

„Unser patentiertes hautsicheres Lasersystemkonzept zielt darauf ab, den medizinischen Ultraschall zu verändern, indem es die mit herkömmlichen Kontaktsonden verbundenen Einschränkungen überwindet“, erklärt der leitende Forscher Robert Haupt, ein leitender Mitarbeiter der Active Optical Systems Group des Lincoln Laboratory. Haupt und leitender Mitarbeiter Charles Wynn sind Miterfinder der Technologie, während der stellvertretende Gruppenleiter Matthew Stowe die technische Leitung und Aufsicht über das NCLUS-Programm übernimmt. Rajan Gurjar ist der Leiter des Systemintegrators, wobei Jamie Shaw, Bert Green, Brian Boitnott (jetzt an der Stanford University) und Jake Jacobsen an der optischen und mechanischen Konstruktion sowie dem Aufbau des Systems zusammenarbeiten.

Medizinischer Ultraschall in der Praxis

Wenn Ihr Arzt eine Ultraschalluntersuchung anordnet, können Sie davon ausgehen, dass ein hochqualifizierter Sonograph eine Reihe von Schallköpfen, die in einem Handgerät untergebracht sind, auf Ihren Körper drückt und manipuliert. Während der Sonograph die Schallkopfsonde über Ihre Haut schiebt, dringen hochfrequente Schallwellen (Ultraschallwellen) in Ihr Körpergewebe ein und breiten sich dort aus, wo sie von verschiedenen Gewebestrukturen und -merkmalen „echo“ werden. Diese Echos manifestieren sich aus der akustischen Impedanz oder der Veränderung der Gewebestärke (Gewebeweichheit oder -steifheit) von Fett, Muskeln, Organen, Blutgefäßen und Knochen tief im Körper. Die Sonde empfängt die zurückkommenden Echos, die zu repräsentativen Bildern der inneren Merkmale des Körpers zusammengesetzt werden. Spezielle Verarbeitungsschemata (synthetische Aperturverarbeitung) werden verwendet, um die Formen der Gewebemerkmale in 2D oder 3D zu konstruieren, und diese Konstruktionen werden dann in Echtzeit auf einem Computermonitor angezeigt.

Mithilfe von Ultraschall können Ärzte nichtinvasiv in das Innere des Körpers „sehen“, um verschiedene Gewebe und ihre Geometrien abzubilden. Ultraschall kann auch den durch Arterien und Venen pulsierenden Blutfluss messen und die mechanischen Eigenschaften (Elastographie) von Geweben und Organen charakterisieren. Ultraschall wird routinemäßig eingesetzt, um Ärzte bei der Beurteilung und Diagnose einer Vielzahl von Gesundheitszuständen, Krankheiten und Verletzungen zu unterstützen. Beispielsweise kann Ultraschall verwendet werden, um die Anatomie eines sich entwickelnden Fötus abzubilden, Tumore zu erkennen und den Grad der Verengung oder Undichtigkeit der Herzklappen zu messen. Ultraschall reicht von tragbaren Geräten auf einem iPhone bis hin zu wagenbasierten Systemen und ist äußerst tragbar, relativ kostengünstig und wird häufig in Point-of-Care- und Remote-Feldumgebungen eingesetzt.

Einschränkungen des Ultraschalls

Obwohl moderne medizinische Ultraschallsysteme Gewebemerkmale innerhalb von Bruchteilen eines Millimeters auflösen können, weist die Technik einige Einschränkungen auf. Die freihändige Manipulation der Sonde durch Sonographen, um das beste Sichtfenster in das Körperinnere zu erhalten, führt zu Bildfehlern. Genauer gesagt, wenn Sonographen durch Fühlen Druck auf die Sonde ausüben, komprimieren sie willkürlich das lokale Gewebe dort, wo die Sonde Kontakt hat, was zu unvorhersehbaren Veränderungen der Gewebeeigenschaften führt, die sich auf die Ausbreitungswege der Ultraschallwellen auswirken. Diese Komprimierung verzerrt Bilder von Gewebemerkmalen mit einer gewissen Unvorhersehbarkeit, was bedeutet, dass Merkmalsformen nicht genau dargestellt werden. Darüber hinaus verändert eine leichte Neigung der Sonde die Winkelebene der Bildansicht, wodurch das Bild verzerrt wird und Unsicherheit darüber entsteht, wo Merkmale im Körper positioniert sind.

Die Bildverzerrung und die Positionsreferenzunsicherheit sind so erheblich, dass Ultraschall nicht mit ausreichender Sicherheit feststellen kann, ob beispielsweise ein Tumor größer oder kleiner wird und wo genau sich der Tumor im Wirtsgewebe befindet. Darüber hinaus variiert die Unsicherheit in Bezug auf Größe, Form und Position der Merkmale bei wiederholten Messungen, selbst wenn derselbe Sonograph versucht, seine Schritte zurückzuverfolgen. Diese als Bedienervariabilität bezeichnete Unsicherheit ist schwerwiegender, wenn verschiedene Sonographen die gleiche Messung durchführen, was zu einer Variabilität zwischen Bedienern führt. Aufgrund dieser Nachteile ist Ultraschall häufig nicht in der Lage, Krebstumoren und andere Krankheitszustände zu verfolgen. Stattdessen sind Methoden wie die Magnetresonanztomographie (MRT) und die Computertomographie (CT) vorgeschrieben, um den Verlauf von Krankheiten zu verfolgen – trotz ihrer deutlich höheren Kosten, der größeren Systemgröße und -komplexität und des damit verbundenen Strahlenrisikos.

„Variabilität war jahrzehntelang eine wesentliche Einschränkung des medizinischen Ultraschalls“, sagt Anthony Samir, stellvertretender Lehrstuhlinhaber für Bildgebungswissenschaften bei MGH Radiology und Direktor von CURT. Samir und seine MGH-CURT-Kollegen Kai Thomenius und Marko Jakolvejic bieten wichtige medizinische Erfahrung, technisches Fachwissen, Sie geben dem Laborteam Anleitungen zu herkömmlichen Ultraschallgeräten und arbeiten mit ihnen bei der Entwicklung des NCLUS-Systems zusammen.

Durch die vollständige Automatisierung des Prozesses zur Erfassung von Ultraschallbildern hat NCLUS das Potenzial, den Bedarf an einem Sonographen zu reduzieren und die Variabilität des Bedieners zu verringern. Die Laserpositionierung kann genau reproduziert werden, wodurch Schwankungen bei wiederholten Messungen vermieden werden. Da die Messung berührungslos erfolgt, kommt es zu keiner lokalen Gewebeverdichtung oder einer damit verbundenen Verzerrung der Bildmerkmale. Darüber hinaus bietet NCLUS, ähnlich wie MRT und CT, die Möglichkeit eines festen Referenzrahmens unter Verwendung von Hautmarkern, um wiederholte Scans im Laufe der Zeit zu reproduzieren und zu vergleichen. Um solche Tracking-Funktionen zu unterstützen, entwickelte das Laborteam eine Software, die Ultraschallbilder verarbeitet und alle Änderungen zwischen ihnen erkennt. NCLUS erfordert weder manuellen Druck noch Kopplungsgele (wie bei Kontaktsonden) und eignet sich auch ideal für Patienten mit schmerzhaften oder empfindlichen Körperbereichen, in fragilem Zustand oder bei Patienten mit Infektionsrisiko.

„NCLUS könnte Opfer von Verbrennungen oder Traumata, Patienten mit offenen tiefen Geweberegionen direkt während der Operation, Frühgeborene, die intensivmedizinische Betreuung benötigen, Patienten mit Nacken- und Wirbelsäulenverletzungen sowie ansteckende Personen aus einiger Entfernung abbilden“, sagt Haupt.

Lichtinduzierte Ultraschallwellen

NCLUS verwendet einen gepulsten Laser, der optische Energie durch die Luft auf die Hautoberfläche überträgt, wo das Licht in der Haut schnell absorbiert wird. Der optische Impuls verursacht eine sofortige lokale Erwärmung und verformt die Haut durch einen thermoelastischen Prozess schnell, der wiederum Ultraschallwellen erzeugt, die als Ultraschallquelle fungieren – ein Phänomen, das Photoakustik genannt wird.

Der optische Impuls erzeugt eine ausreichende Ultraschallleistung mit Frequenzen, die mit denen des praktizierten medizinischen Ultraschalls vergleichbar sind, und verursacht dabei keine Empfindungen auf der Haut. Das Team patentierte die Wahl der optischen Trägerwellenlängen, wobei der photoakustische Prozess darauf ausgelegt ist, eine konsistente Ultraschallquelle zu erzeugen, unabhängig von Hautfarbe oder Geweberauheit.

Die aus dem Gewebeinneren zurückkehrenden Ultraschallechos treten an der Hautoberfläche als lokale Schwingungen auf, die von einem hochempfindlichen, speziellen Laser-Doppler-Vibrometer gemessen werden.

„Mit einer geeigneten Laser-Sende- und Empfangsimplementierung können alle freiliegenden Gewebeoberflächen zu brauchbaren Ultraschallquellen und -detektoren werden“, erklärt Haupt.

Fortschritte in Richtung eines klinisch einsatzfähigen Systems

Im Jahr 2019 demonstrierte das Team, dass das NCLUS-Proof-of-Concept-System (GEN-1) mithilfe hautverträglicher Laser Ultraschallbilder von menschlichen Probanden erfassen kann – ein Novum in der medizinischen Gemeinschaft. Die Erfassung der Bilddaten vom Patienten dauerte jedoch lang und war für die klinische Praxis unpraktisch. Darüber hinaus war die Bildauflösung des GEN-1-Systems deutlich geringer als die des modernen medizinischen Ultraschalls.

Seitdem wurden erhebliche technische Fortschritte erzielt, um NCLUS GEN-1 in ein für klinische Tests geeignetes Betriebssystem umzuwandeln. Im klinischen NCLUS-System sind sowohl die Laserquelle als auch der Empfänger miniaturisiert und in einem optischen Kopf untergebracht, der an einer tragbaren Armatur befestigt ist. Die pulsierenden und scannenden Laser sind 500-mal schneller als die des GEN-1-Systems und reduzieren so die gesamte Bilddatenerfassungszeit auf weniger als eine Minute. Zukünftige NCLUS-Prototypen werden schnellere Erfassungszeiten von weniger als einer Sekunde erfordern. Das neue klinische System arbeitet außerdem mit viel höheren Ultraschallfrequenzen als das GEN-1-System und ermöglicht eine Auflösung von bis zu 200 Mikrometern, was mit der Auflösung von hochmodernem medizinischem Ultraschall vergleichbar ist.

Die bewegliche Armatur ermöglicht viele Freiheitsgrade zur Betrachtung der verschiedenen Körperregionen. Im Inneren des optischen Kopfes befinden sich außerdem programmierbare, schnell lenkbare Spiegel, die die Quelle automatisch positionieren und Laserstrahlen empfangen, um das Ultraschallarray präzise einzurichten. Ein 2D-Lidar wird verwendet, um die Topographie der Hautoberfläche des Patienten abzubilden. Eine Kurzwellen-Infrarotkamera mit hoher Bildrate zeichnet die projizierten Positionen der Laserquelle und des Empfängers auf der Haut auf und liefert die für die Erstellung von Ultraschallbildern erforderlichen Array-Parameter. Die Kartierung der Hautoberflächentopographie und Laserpositionsaufzeichnungen werden anhand natürlicher Hautmerkmale wie Sommersprossen registriert. Auf diese Weise wird ein fester Referenzrahmen für die Durchführung präziser Wiederholungsscans über einen längeren Zeitraum hinweg erstellt.

Das klinische NCLUS-System generiert vollautomatische und registrierte Ultraschallbilder mithilfe der Verarbeitung synthetischer Aperturen. Das Team demonstrierte dieses System anhand eines gelbasierten Pucks, der so synthetisiert wurde, dass er den mechanischen Eigenschaften von menschlichem Gewebe (Phantom) entspricht und die Ausbreitung von Ultraschallwellen steuert.

Durch gesponserte Programme entwickelt das Team nun NCLUS, um militärische Feldanwendungen zu unterstützen. Zu diesen Anwendungen gehören die Erkennung und Charakterisierung lebensbedrohlicher Verletzungen durch innere Blutungen in Organen; Überwachung schwächender Muskel-Skelett-Verletzungen und ihrer Heilung im Laufe der Zeit; und Bereitstellung elastografischer Bilder von Weichgewebe und Knochen der Gliedmaßenregionen von Amputierten, um die Entwicklung und Anpassung von Prothesenschäften zu beschleunigen. Zu den zivilen Anwendungen gehört die Bildgebung auf der Intensivstation. Mit NCLUS können Rettungssanitäter, Sanitäter und medizinisches Personal ohne spezielle Sonographieausbildung möglicherweise Ultraschallbilder außerhalb eines Krankenhauses durchführen – in einer Arztpraxis, zu Hause oder auf einem abgelegenen Schlachtfeld.

„Mit der weiteren Entwicklung hat NCLUS das Potenzial, eine transformative Technologie zu werden: eine automatisierte, tragbare Ultraschallplattform mit einer Fähigkeit zur Festlegung eines festen Referenzrahmens, ähnlich der von MRT und CT“, sagt Samir.

In der nächsten Phase des NCLUS-Programms wird das Team klinische Studien mit einem hautverträglichen Laser durchführen, um Ultraschallbilder auszuwerten und sie mit denen von konventionellem medizinischem Ultraschall zu vergleichen. Wenn diese Studien erfolgreich sind, wird das Team eine kommerzielle Finanzierung für die Entwicklung klinischer medizinischer Geräte beantragen und anschließend die Genehmigung der US-amerikanischen Food and Drug Administration einholen.

Diese Arbeit wird vom US Army Military Operational Medicine Research Program finanziert. Die In-vivo-Tests am Menschen wurden vom MIT-Ausschuss für die Verwendung von Menschen als Versuchspersonen genehmigt.

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