Operation ohne Skalpell

InnoVisions, / 30.3.2012

Bewegliche Organe sicher mit Ultraschall operieren

Gebündelte Ultraschallwellen bieten den Ärzten eine zusätzliche Möglichkeit, erkranktes Gewebe im Körper ihrer Patienten unschädlich zu machen. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass der Fokus der Schallquellen exakt die zu behandelnden Zellen trifft. Bei sich bewegenden Objekten, wie etwa der Leber, zählt die Methode daher bisher nicht zum Standard im OP. Fünf Fraunhofer-Institute arbeiten nun gemeinsam an einer Softwarelösung für den sicheren Einsatz von Ultraschallwellen, die auch bei Organen mit einer gewissen »Mobilität« zuverlässig ihren Weg ins Ziel finden sollen.

Der regelmäßige Blick in die Gebärmutter während der Schwangerschaft, der Vorsorgecheck zur frühzeitigen Erkennung von Brustkrebs, die Diagnose einer Knieverletzung oder die Ortung schmerzhafter Nierensteine – die medizinische Diagnostik ist ohne die Untersuchungen mit Ultraschall kaum mehr denkbar. Ohne Strahlenbelastung und ohne operativen Eingriff ermöglichen sie Ärzten aller Fachrichtungen einen schnellen Blick in den Körper des Patienten. Der Schall in Wellenlängen oberhalb des menschlichen Hörvermögens erobert nun noch eine weitere Domäne in der Medizin: In den Praxen und Kliniken werden mit Ultraschall Krankheiten nicht nur diagnostiziert, sondern immer öfter auch »operiert«. Möglich macht dies eine gezielte Bündelung von Ultraschallwellen exakt an der Stelle im Körper des Patienten, an der sich erkranktes Gewebe befindet. Außerhalb des Körpers wird dabei eine Reihe von Ultraschallerzeugern so justiert, dass sich ihre Schallwellen im Innern des Körpers an dem gewünschten Schnittpunkt fokussieren. Dadurch erhitzen sich an dieser Stelle die Zellen auf über 60 Grad Celsius. Mit diesem Verfahren können die Ärzte bereits heute zum Beispiel einen Tumor in der Prostata gezielt zerstören. Ebenso setzen sie die Methode des »Operierens ohne Skalpell« ein, um erkranktes Gewebe in der Gebärmutter oder Metastasen in menschlichen Knochen zu behandeln.

Der Einsatz der Ultraschallbehandlung stößt bisher aber schnell an seine Grenzen: Das Erhitzen des Gewebes im Fokus der Schallwellen zerstört die Körperzellen zuverlässig, macht aber keinen Unterschied zwischen gesund und krank. Es muss also sichergestellt sein, dass ausschließlich das erkrankte Gewebe während der Behandlung in den Fokus der Schallwellen gelangt und nicht unnötig gesunde Zellen abgetötet werden. Umgekehrt muss, wenn ein bösartiger Tumor zerstört werden soll, zudem gewährleistet sein, dass der Arzt den gesamten erkrankten Zellenbereich zuverlässig entfernt. Während einer Ultraschall-Operation liegt der Patient daher in einem Magnetresonanztomographen (MRT). Auf den dreidimensionalen Bildern des MRT muss nun der Arzt das Zielgebiet der Ultraschallbehandlung identifizieren und den Brennpunkt der Schallquellen exakt darauf ausrichten. Bei Gebärmutter oder Prostata gelingt dies. Bei Organen im Bauchraum wie etwa der Leber ist eine solche Ultraschall-OP dagegen mit der Standardmethode kaum möglich. Denn: »Bei jedem Atemzug des Patienten bewegt sich die Leber. Eine Zellregion in deren Innerem exakt mit den gebündelten Ultraschallwellen zu treffen, ist daher für den Arzt kaum möglich«, erklärt Dr. Caroline von Dresky vom Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS. Erschwerend kommt hinzu, dass sich auf dem Weg der Schallwellen in den Körper Rippen befinden können. Diese können Schallwellen ablenken oder reflektieren und sie so daran hindern, ihr vom Arzt festgelegtes Ziel zu erreichen.

Mit einer intelligenten Software wollen nun fünf Fraunhofer-Institute erreichen, dass das »Operieren mit Ultraschall« ähnlich universell und komfortabel anwendbar wird, wie der Ultraschall-Einsatz in der Diagnostik. Im Projekt »Extrakorporale fokussierte Ultraschalltherapie – Wirkungsweise, Simulation, Planung und Verlaufskontrolle neuer Therapietechniken« arbeiten das Fraunhofer MEVIS und die Fraunhofer-Institute für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik FIRST, für Kurzzeitdynamik EMI, für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM und für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI gemeinsam an Lösungen für die Erstellung optimaler Therapiepläne. Softwareunterstützung soll zum Beispiel dafür sorgen, dass die Ultraschallsender während einer Behandlung jeder Bewegung der Leber automatisch folgen. Der Arzt muss also nur noch ein einziges Mal den gewünschten Brennpunkt der Schallwellen festlegen. Über dessen Echtzeitanpassung an die Bewegungen des Patienten ist dann im Verlauf der Behandlung gewährleistet, dass das Zielgewebe zuverlässig zerstört werden kann. Auch für das Problem von Knochen und Rippen als »Schallbarriere« arbeiten die Projektpartner an softwarebasierten Lösungen. Teilweise müssen die Forscher dafür erst die wissenschaftlichen Grundlagen schaffen. Modelle und Simulationen helfen ihnen dabei, die Ausbreitung, Reflexion und Ablenkung der Ultraschallwellen im menschlichen Körper zu verstehen und darauf aufbauend exakt vorherzusagen. Bei der Schallwellenbehandlung könnte die Problemlösung dann folgendermaßen aussehen: Bei der Bündelung der Ultraschallwellen am Zielpunkt arbeiten eine Reihe von Ultraschallsendern, die außerhalb des Körpers positioniert sind, zusammen. Bevor tatsächlich Ultraschallwellen auf ihren Weg geschickt werden, simuliert die Software anhand der MRT-Daten des Patienten und den Vorgaben des Arztes den Behandlungsvorgang. Zeigt sich dabei, dass eine Rippe einzelnen Schallquellen den Weg versperrt, errechnet das Programm, ob die Zerstörung der Tumorzellen dennoch möglich ist. Zum Beispiel indem die abgeschatteten Schallquellen aus dem Sender-Array herausgenommen und gleichzeitig die Leistung der übrigen Ultraschallerzeuger entsprechend angepasst werden.

Eine besondere Herausforderung bei der Softwareunterstützung für die Behandlungen mit Ultraschallwellen ist der Faktor Zeit. Ein Einsatz im Klinikalltag setzt voraus, dass die komplexen Simulationen, die Berechnungen und die Steuerung der Behandlungsgeräte simultan zur Therapiemaßnahme des Arztes erfolgen. Die einzelnen Softwarebausteine der am Projekt beteiligten Institute müssen daher optimal aufeinander abgestimmt sein. Die Koordination der Projektarbeiten übernehmen die Wissenschaftler des Fraunhofer MEVIS. Ihre Aufgabe ist es auch, die einzelnen Funktionen zu einem echtzeitfähigen Gesamtprogramm zu integrieren. »Um Zeit zu gewinnen, verlagern wir beispielsweise Rechenoperationen auf die Grafikkarte«, erläutert von Dresky. Im Rahmen des aktuellen Gemeinschaftsprojekts konzentrieren sich die Forscher auf die speziellen Anforderungen ihrer Softwarelösung an die Ultraschall-Behandlung von Lebererkrankungen. Kann die Softwareunterstützung hier die bestehenden Schwierigkeiten, wie die Anpassung an die Atembewegungen des Patienten, erfolgreich meistern, ist auch eine Ausweitung der Anwendungsbereiche auf andere Körperpartien problemlos möglich. (mab)