In einer vom National Institutes of Health (NIH) finanzierten Machbarkeitsstudie haben Forscher der Keck School of Medicine der USC und des California Institute of Technology (Caltech) gezeigt, dass sich mit einer innovativen, nicht-invasiven Technik schnell dreidimensionale Bilder des menschlichen Körpers von Kopf bis Fuß erstellen lassen. Die Technologie kombiniert Ultraschall und photoakustische Bildgebung, die durch Licht erzeugte Schallwellen erfasst, um gleichzeitig Bilder von Gewebe und Blutgefäßen zu gewinnen. Die Ergebnisse, die soeben in der Fachzeitschrift Nature Biomedical Engineering veröffentlicht wurden , bergen das Potenzial, bestehende Lücken in der medizinischen Bildgebung zu schließen.
Bildgebende Verfahren sind ein unverzichtbarer Bestandteil der modernen Medizin und tragen wesentlich zur Behandlung von Verletzungen, Infektionen, Krebs, chronischen Erkrankungen und vielem mehr bei. Doch die heutigen Goldstandardverfahren – Ultraschall, Röntgen, Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) – haben jeweils ihre Grenzen. Dazu gehören die Kosten und der Zeitaufwand für jede Untersuchung sowie die Aussagekraft der Bilder: Wie viel vom Körper kann gleichzeitig dargestellt werden, wie tief reichen die Bilder und wie detailliert sind sie?
„Die Bedeutung der medizinischen Bildgebung für die klinische Praxis kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Unser Team hat wichtige Einschränkungen bestehender Techniken identifiziert und einen neuartigen Ansatz entwickelt, um diese zu beheben“, sagte Charles Liu, MD, PhD , Professor für klinische Neurochirurgie, Urologie und Chirurgie an der Keck School of Medicine, Direktor des USC Neurorestoration Center und Mitautor der neuen Studie.
Um die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Technologie zu demonstrieren, nutzten die Forscher das System zur Bildgebung verschiedener Körperregionen: Gehirn, Brust, Hand und Fuß. Die Gehirnbildgebung erfolgte bei Patienten mit Schädel-Hirn-Trauma, die sich einer Operation unterzogen und bei denen Teile des Schädels vorübergehend entfernt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technologie sowohl Gewebestrukturen als auch Blutgefäße in einem bis zu 10 Zentimeter breiten Bereich innerhalb von etwa 10 Sekunden erfassen kann.
Zum ersten Mal kombinierte das Forschungsteam beim Menschen zwei Bildgebungsverfahren, die Rotations-Ultraschalltomographie (RUST) und die Photoakustik-Tomographie (PAT), zu dem, was sie RUS-PAT nennen.
Ähnlich wie ein herkömmlicher Ultraschall richtet RUST Schallwellen auf den zu untersuchenden Bereich. Anstatt jedoch mit einem einzelnen Detektor ein zweidimensionales Bild zu erzeugen, verwendet es einen Detektorbogen, um ein dreidimensionales Volumenbild des Körpergewebes zu erstellen. PAT richtet einen Laserstrahl auf denselben Bereich, der von Hämoglobinmolekülen im Blut absorbiert wird. Diese Moleküle vibrieren und senden Ultraschallfrequenzen aus, die von denselben Detektoren gemessen werden, um dreidimensionale Bilder der Blutgefäße zu erzeugen.
Das RUS-PAT-System baut auf früheren Arbeiten des USC-Caltech-Teams auf , die zeigten, dass PAT auch zur Erfassung von Bildern der Gehirnaktivität verwendet werden kann.
RUS-PAT bietet gegenüber bestehenden bildgebenden Verfahren mehrere potenzielle Vorteile. Es ist kostengünstiger in der Herstellung als ein MRT-Scanner, vermeidet die für Röntgen- und CT-Untersuchungen notwendige Strahlung und liefert komplexere Bilder als herkömmlicher Ultraschall.
„Wenn wir an die entscheidenden Einschränkungen der aktuellen medizinischen Bildgebung denken, wie Kosten, Sichtfeld, räumliche Auflösung und Scanzeit, dann geht diese Plattform auf viele dieser Probleme ein“, sagte Liu.
Breites klinisches Potenzial
Durch die Bildgebung von Gehirn, Brust, Hand und Fuß haben die Forscher das Potenzial von RUS-PAT für ein breites Spektrum an medizinischen Anwendungen aufgezeigt. Die Bildgebung des Gehirns spielt eine zentrale Rolle bei der Diagnose und Behandlung von Schlaganfall, Schädel-Hirn-Trauma und neurologischen Erkrankungen, während die Brustbildgebung die Behandlung einer der weltweit häufigsten Krebsarten unterstützt.
„Die Photoakustik eröffnet ein neues Feld der Humanforschung, und wir glauben, dass diese Technologie für die Entwicklung neuer Diagnoseverfahren und patientenspezifischer Therapien von entscheidender Bedeutung sein wird“, sagte Jonathan Russin, MD, Erstautor der Studie und Professor und Leiter der Neurochirurgie an der Universität von Vermont.
Schnelle und kostengünstige Bildgebung des Fußes könnte auch Millionen von Menschen helfen, die an diabetischen Fußkomplikationen und Venenerkrankungen leiden.
Nature Biomedical Engineering
DOI
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