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Radiologie 30. März 2006

Power und Kontrast für Totgesagte

Die Anwendung von Schallwellen für die medizinische Diagnostik ist eine Erfolgsstory. Seit Jahrzehnten ist die Sonografie ein fixer und unverzichtbarer Bestandteil der Diagnostik von Erkrankungen des Abdomens und Urogenitaltrakts, des Herzens und Gefäßsystems und ist aus der Geburtshilfe und der pädiatrischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken.

Die physikalischen Limitationen akustischer Wellen, vor allem aber die technischen Fortschritte "anderer" Schnittbildverfahren wie CT und MRT ließen die Sonografie zu einer wenig sensitiven, untersucherabhängigen, unzureichend dokumentierten und nicht nachvollziehbaren "Vorfelduntersuchung" verkommen. Zu diesen Einschränkungen zählen Streuung und Absorption mit dadurch begrenzter Eindringtiefe, Totalreflexion an Grenzflächen mit hohen Impedanzunterschieden und die sehr langsame Etablierung anerkannter, systematischer Untersuchungs- und Dokumentationsstandards. Ein an sich vorteilhaftes Merkmal der Methode, die kontinuierliche Echtzeit-Untersuchung, die eine Beurteilung dynamischer Prozesse ohne Einwirkung ionisierender Strahlen ermöglicht, wird auch heute noch oft in Publikationen als Problem mit hoher Subjektivität und Interobservervariabilität dargestellt.

Fortschritte der 90er-Jahre

Neue Entwicklungen, wie die Farbduplexsonografie, die amplitudenkodierte "Power"-Dopplersonografie, die Nutzung harmonischer Echos aus dem eingeschallten Gewebe für den Bildaufbau ("Harmonic Imaging"), die selektive Auswahl akustischer Pulse, die 3D- und 4D-Sonografie und nicht zuletzt die Anwendung schallverstärkender Substanzen ("Ultraschallkontrastmittel") haben die Situation in den 90er-Jahren verändert. Diese Neuerungen haben zu einer wesentlich verbesserten Qualität der Methode, zu neuen Indikationen und Anwendungsgebieten, aber auch zu hohen Anforderungen an die sonografisch tätigen Ärzte geführt und ließen dadurch auch die Attraktivität einer nunmehr komplexen, auf die jeweilige klinische Fragestellung zugeschnittenen Ultraschalldiagnostik insgesamt steigen.

Kontraste für die Sonografie

Der echoverstärkende Effekt von Gasbläschen im Rahmen der B-Bild-Sonographie ist seit 1968 bekannt. Es dauerte aber über 20 Jahre, bis eine systematische Entwicklung von Ultraschallkontrastmitteln (KM) - auch unter dem Druck anderer bildgebender Verfahren wie CT- und MR-Angiografie - einsetzte.
Waren es anfänglich Luftbläschen mit variabler und unvorhersehbarer Größe, sehr kurzer Halbwertszeit und fehlender kapillärer Passage, so war die Entwicklung stabilisierter Mikrobläschen mit einem Durchmesser unter 10 Mikrometer ein Meilenstein. Diese neuen Substanzen ermöglichen eine mehrfache transkapilläre Passage und somit eine zeitlich längere Signalverstärkung auch der arteriellen Strombahn. Zahlreiche Studien belegen neben der Effizienz auch die exzellente Sicherheit dieser Substanzen, deren Gasgehalt im Gefäßsystem des Patienten eine Menge von 3 Nanogramm nicht überschreitet und deren Abbau durch Abatmung nach 1 Minute bereits 40 Prozent beträgt.

Veränderung der Paradigmen

Die Intensitätserhöhung des Schallechos führt zu einer Signalverstärkung bei richtungs- oder amplitudenkodierten Doppleruntersuchungen und zu einer Erhöhung des Grauwertes in spezifischen KM-spezifischen Ultraschallsequenzen, wie dem "Pulse Inversion Harmonic Imaging", das bereits in den meisten Ultraschallsystemen implementiert ist. Die Effizienz von KM hängt aber nicht nur von den physikalischen Eigenschaften der Substanzen selbst (Eigenresonanz, Ober-flächenstabilität) ab, sondern ist eng mit der Entstehung und Verarbeitung der Schallsignale im Gerät (Breitbandschallköpfe, Beamformer und Postprocessing) gekoppelt.
Die Entwicklung neuer sonografischer Techniken fruchtete in neuartigen und bis dato für die Ultraschalldiagnostik unbekannten dynamischen Untersuchungsprotokollen, führte aber auch zu einem unübersichtlichen und verwirrenden Angebot von herstellerspezifischen Sequenzbezeichnungen (THI®, ADI®, CPS®, CCI®, CHI® etc. ), die aber grundsätzlich auf der Interaktion von Schalldruck und KM beruhen.
Komplexe, nichtlineare Oszillationen der Mikrobläschen führen zu Resonanzphänomenen, die im Frequenzbereich des diagnostischen Ultraschalls (3-12 MHz) liegen. Die sonografische Detektion dieser Substanzen innerhalb des Gefäßsystems gleicht sehr dem Verhalten von Röntgen-KM oder Gadolinium-Chelaten im Rahmen von CT- bzw. MRT-Untersuchungen.
Zunehmend werden diese Substanzen nicht nur für die Verstärkung von Dopplersignalen im Gefäßsystem eingesetzt. Eine kontrastmittelspezifische Technik vorausgesetzt, ermöglichen Protokolle mit niedrigen applizierten Schallenergien (Mechanischer Index <0,1), die lediglich zu einer Oszillation der Mikrobläschen und nicht unmittelbar zu ihrer Zerstörung führen, eine verbesserte "Kontrastauflösung", eine der Ultraschalldiagnostik inhärente Schwachstelle.
Ein für die visuelle Detektion ausreichender "Läsion-Leber-Kontrast" ist Voraussetzung für die Entdeckung fokaler Leberläsionen und verantwortlich für die bisherige bescheidene Sensitivität der Sonografie (53-77%) gegenüber der MRT (85-96%), die über der von CT- und MRT-Untersuchungen der Leber liegt. Die offensichtliche Überwindung dieses Problems und die bislang unübertroffene räumliche Auflösung der Sonografie sind Gründe dafür, dass der kontrastverstärkte Ultraschall zunehmend routinemäßig für die Untersuchung onkologischer Patienten eingesetzt wird.

Dynamic Imaging

Die selektive Anreicherung der Mikrobläschen in Sinusoiden der Leber sowie deren Phagozytose durch Zellen des RES während einer "Postbolus-Phase" (d.h. ca. 2 bis 5 min nach KM-Gabe) führen zu einer Kontrastierung des "normalen" Leberparenchyms. Fremdgewebe, z.B. Metastasen, nehmen dagegen kein Kontrastmittel auf und erscheinen daher echofrei, während andererseits Gefäßmalformationen (z.B. fokale noduläre Hyperplasien) und Gefäßneoplasien (z.B. Hämangiome) der Leber, arteriell hypervaskularisierte hepatozelluläre Karzinome (HCC) als auch Mammakarzinome während der dynamischen Untersuchung als sehr echoreiche Läsionen im Vergleich zum umgebenden Gewebe identifiziert werden können. In einer rezenten Multicenter-Studie konnte eine deutliche Erhöhung der Detektionsrate (Sensitivität) von 71 auf 87%, die auch Tumore bis zu einem Durchmesser von 6 mm umfasste und eine signifikante Erhöhung der richtig-negativen Befunde (Spezifität) von 60 auf 88% gezeigt werden. Zusätzlich stieg auch die subjektive Erkennbarkeit der Läsionen nach der Verabreichung des KM in 88% der Patienten, was auch zu einer Erhöhung der diagnostischen Sicherheit des Untersuchers führte.

Die selektive Detektion von KM innerhalb eines sonographischen "Gewebeschnittes" ermöglicht eine noninvasive Quantifizierung von Perfusion, z.B. des Myokards, des Nieren- und Leberparenchyms und von Tumoren, und ermöglicht dabei Rückschlüsse auf die Dignität der Läsionen. Häufig weisen maligne Neoplasien eine arterielle Hyperperfusion, bei speziellen Tumoren mit arteriovenösen Shunts (wash-out-Kurven) raschere Time-to-Peak-Zeiten, steilere Zeit-Intensitäts-Kurven und längere Kontrastierungszeiten als benigne Läsionen auf. Verschiedene Studien zeigen außerdem signifikante Unterschiede des hepatischen Blutflusses (gemessen mit Zeit-Intensitäts-Kurven und mittleren Transitzeiten) von metastasentragenden Lebern im Vergleich zum gesunden Kontrollkollektiv.

Die lokale Applikation von Ultraschallwellen für therapeutische Zwecke wird seit den 70er-Jahren erforscht. Neben den ablativen Effekten von fokussierten hochfrequenten Schallwellen (HIFU), z.B. zur lokalen Therapie des Prostatakarzinoms, wird auch der hyperthermische Effekt von niederfrequenten mechanischen Wellen für eine Erhöhung der transkutanen Aufnahme topischer Therapeutika sowie zu einer lokalen Freisetzung von an temperatursensitive Liposome konjugierte Chemotherapeutika (z.B. 5-FU) genutzt. Neu ist hingegen die Bindung spezifischer Substanzen an Kontrastmittelmikrobläschen als Trägermedium, durch deren schallbedingte Destruktion die lokale Freisetzung der entsprechenden Therapeutika, wie Fibrinolytika, Chemotherapeutika oder Kortikosteroide, ermöglicht wird.
In experimentellen Versuchen konnte darüber hinaus auch gezeigt werden, dass Schallenergien in Bereichen, wie sie auch für diagnostische Doppleruntersuchungen angewandt werden, zu einer signifikanten Erhöhung von Genexpressionen führen. Dieser Effekt wird durch akustisch aktive Perfluorkohlenstoffe, die auch Bestandteil von KM sind, verstärkt. Eine zielgerichtete, lokale Gentherapie (z.B. Wachstumsfaktoren) scheint dabei zukünftig möglich zu werden.

Prof. Dr. Martin-Michael Uggowitzer, Ärzte Woche 23/2002

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