ArchivDeutsches Ärzteblatt1-2/2000Medizintechnik: Erweiterte Diagnose mit 3-D-Ultraschall

VARIA: Technik für den Arzt

Medizintechnik: Erweiterte Diagnose mit 3-D-Ultraschall

Dtsch Arztebl 2000; 97(1-2): A-54 / B-48 / C-47

Müllges, Kay

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LNSLNS Die revolutionäre Wirkung der neuen bildgebenden Verfahren wie Kernspin- oder Magnetresonanztomographie resultiert vor allem aus ihrer einzigartigen Fähigkeit, dem Gehirn beim Denken zuzuschauen. Für Hirnforscher, wie Neurochirurgen, sind sie zum universellen Hilfsmittel geworden. Einen weiteren großen Schritt nach vorne könnte eine Neuentwicklung des Forschungszentrums Jülich bedeuten. Die rheinischen Wissenschaftler schnürten ein Hard- und Softwarepaket, das medizinische Volumendaten nun auch auf dem PC dreidimensional sichtbar machen kann.
Auf den ersten Blick sieht der Monitor wie ein ganz normaler Flachbildschirm aus. In einer zusätzlichen Zwischenlage hinter dem Bildschirm enthält er eine Prismenschicht, die das räumliche Sehen möglich macht. Auffällig sind vor allem zwei kreisrunde Öffnungen, die wie kleine Kameraobjektive wirken. In Augenhöhe in das Bildschirmgehäuse integriert, registrieren sie, wo sich die Augen des Betrachters befinden. Auf diese Weise werden die Prismen automatisch immer so eingestellt, dass das linke Auge des Betrachters die Linksansicht des dargestellten Objektes sieht, das rechte Auge die Rechtsansicht. Hierdurch entsteht der räumliche Eindruck.
Schnelle Anfertigung
Das Monitor-Display ist von Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden entwickelt worden. Ursprünglich kombinierten die Jülicher Forscher diesen Bildschirm mit einem in Jülich zur Verfügung stehenden Cray-Superrechner. Damit ist es möglich, Volumendaten in Echtzeit zu visualisieren. Für die schnelle Darstellung von Hin- und Herbewegungen eines Patienten einschließlich der dazugehörigen Hirnaktivität entstehen Datensätze von 256×256×256 Raumpunkten (Voxel). Das sind rund 17 000 000 Voxel. Kein Problem für einen Superrechner, aber für medizinische Anwendungen in Klinik oder gar Praxis natürlich viel zu aufwendig. Am Zentrallabor für Elektronik hat man daher neue Softwarekomponenten entwickelt, die es ermöglichen, ähnliche Rechenleistungen auch mit einem der heutigen High-End-PCs auszuführen. "Das ist die Voraussetzung dafür, dass eines Tages auch Arztpraxen von der neuen Technik profitieren", meint Professor Horst Halling vom Forschungszentrum Jülich. Die Vorteile des neuen Systems sind enorm. Mit ihm lässt sich beispielsweise eine virtuelle Reise durch den Kopf eines Patienten antreten, einschließlich Knochen und Gewebe. Am Bildschirm lassen sich mit einem virtuellen Skalpell Schnitte an jeder beliebigen Stelle setzen. Sowohl die Diagnose beispielsweise von Tumoren als auch die Operationsplanung lassen sich mit dem Jülicher Verfahren deutlich verbessern. "Und wir visualisieren mittlerweile auch 3-D-Ultraschall, zum Beispiel am lebenden Herzen", fügt Richard Patzak vom Forschungszentrum hinzu. Noch ist das Jülicher Verfahren im Kern ein Forschungsprojekt, in naher Zukunft soll allerdings an einem Krankenhaus in Köln eine erste Anwendung erprobt werden.
Um dreidimensionale Darstellung geht es auch bei einem Verfahren, das sich Wissenschaftler der Universität Jena jetzt haben patentieren lassen. Mit dessen Hilfe lassen sich individuelle Implantate in kurzer Zeit passgenau modellieren und fertigen. Gedacht ist das Verfahren für Operationen am Schädel. "Solche Operationen stellen besonders hohe Anforderungen an Komplexität und Funktionalität eines Systems und sind daher eine Herausforderung für uns Ingenieure", erläutert Wolfgang Fried vom Technischen Institut der Universität. Passgenau ins Internet
Die Jenaer Entwicklung arbeitet vorliegende zweidimensionale computertomographische Daten des verletzten Patientenschädels so auf, dass ein dreidimensionales Modell entsteht. Diese Simulation wird nun mit einem Referenzmodell - einem ähnlichen, dem Computer bereits bekannten Schädel - verglichen. An diesem Referenzschädel wird die geschädigte Stelle exakt bestimmt und das Implantat vor der Operation virtuell modelliert. Die Daten werden dann per Internet versandt, damit umgehend die Fertigung des passgenauen Knochenersatzes mit modernsten Konstruktionstechniken gestartet werden kann. "Prinzipiell können Chirurgen von jedem Ort auf der Welt aus so ein Implantat bestellen", meint Wolfgang Fried.
Erste Ergebnisse
Bisher wurden mit Hilfe des neuen Verfahrens rund 20 Operationen durchgeführt, bei denen in einem Arbeitsgang Geschädigtes entfernt und das Implantat eingesetzt werden konnte. Schädelfrakturen nach Unfällen, Schädelkarzinome oder gravierende Missbildungen wurden so behandelt. "Einer der großen Vorteile des Verfahrens", so Wolfgang Fried, "liegt in seiner Flexibilität. Wir können im Prinzip Implantate jeder beliebigen Größe und Komplexität herstellen. In der Praxis müssen dabei natürlich immer die operativen Rahmenbedingungen beachtet werden."
Als Implantatmaterial kommt die Glaskeramik Bioverit II(r) zum Einsatz; das neue Verfahren erlaubt auch die Herstellung aus Titan oder anderen Materialien. Bis Mitte nächsten Jahres will die Forschergruppe die Dauer der Anfertigung eines Implantats - bislang zwei Tage - weiter verkürzen, und auch der Datentransfer soll noch weiter beschleunigt werden.
Fortschritte dank 3-D wird es bald auch in der Diagnostik von Knochenerkrankungen geben. Knochen ist prinzipiell undurchdringlich für Ultraschallwellen, wohl aber kann seine oberflächliche Schicht, die Kortikalis, im Ultraschallbild dargestellt werden. Die Interpretation der durch zweidimensionale Sonographie erhaltenen Bilder ist aber schwierig, weshalb sich die Methode wenig durchgesetzt hat. Kliniker an der Berliner Charité haben daher ein neues Verfahren entwikkelt, das die dreidimensionale Sicht auf den Knochen erlaubt. Dabei wird der Schallkopf des Ultraschallgerätes über den geschädigten Knochen und das umliegende Gewebe geführt, und Daten aus 250 Schnittebenen werden gesammelt. Diese Daten werden in den Computer des Sonographiesystems eingespeist, der daraus innerhalb von Sekunden ein dreidimensionales Bild des Knochens auf dem Monitor zusammensetzt. Genau erkennen lässt sich beispielsweise, in wie viele Teile ein Knochen zerbrochen ist oder welche Ausdehnung eine Geschwulst hat. Die ersten 40 Patienten wurden jetzt an der Charité mit dem neuen System untersucht. Bis auf drei konnten bei allen diagnostisch aussagefähige Bilder gewonnen werden. Kay Müllges
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