Ultraschallanwendung im Gehirn von Erwachsenen: Ein umfassender Überblick

Ultraschall, ein bildgebendes Verfahren, das Schallwellen nutzt, hat sich in der Medizin als vielseitiges Werkzeug etabliert. Neben den traditionellen Anwendungen in der Bildgebung innerer Organe und der Schwangerschaftsdiagnostik eröffnen sich zunehmend neue Möglichkeiten für den Einsatz von Ultraschall im Gehirn von Erwachsenen. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Anwendungsbereiche, von der Diagnose neurologischer Erkrankungen bis hin zur gezielten Therapie.

Grundlagen der Ultraschalltechnik

Die Sonographie, die medizinische Bezeichnung für eine Untersuchung mit Ultraschall, verwendet Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen. Die ausgesendeten Töne werden im Gewebe reflektiert, wodurch Bilder der inneren Organe erstellt werden können. Mithilfe des Doppler-Effektes können zudem Flussgeschwindigkeiten bestimmt werden. Da die ausgesendeten Schallwellen keine Nebenwirkungen und keine Strahlenbelastung verursachen, ist Ultraschall eines der am häufigsten angewendeten bildgebenden Verfahren in der Medizin.

Es sind mittlerweile zahlreiche Applikationsmöglichkeiten/Anwendungsbereiche erschlossen, wie Untersuchung der Bauchorgane im Kindes- und Erwachsenenalter, Schwangerschaftsuntersuchungen, Untersuchungen von Muskulatur und Sehnen, oberflächlichen Weichteilen (insbes. hier Unterhaut, Lymphknoten), aber auch Augen, Herz und Gefäße (Arterien wie auch Venen), Gehirn bei Neugeborenen und Säuglingen.

Die Untersuchung dauert je nach Untersuchungsgebiet und Fragestellung in der Regel zwischen 15-45 min. Die Untersuchung wird meistens im Liegen durchgeführt. Vor Beginn der Untersuchung wird durchsichtiges Ultraschallgel auf der Körperoberfläche des zu untersuchenden Bereiches verteilt, damit der Schall aus der Ultraschallsonde besser angekoppelt wird. Mit der Ultraschallsonde werden die zu untersuchenden Körperbereiche (z.B. Bauch, inkl. Leber Nieren, Pankreas, Blase, Milz etc. oder bestimmte Gefäße) in dynamischer Weise systematisch abgefahren. Sonographische Untersuchungen können in sehr kommunikativer Weise in direktem Gesprächskontakt zwischen Arzt und Patient durchgeführt werden. Eine Befunddemonstration ist umgehend möglich.

Die Sonographie nutzt Ultraschall als Informationsträger. Es handelt sich hierbei um mechanische Wellen niedriger Energie mit Frequenzen deutlich oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen. Die pulsweise ausgesendeten Schallwellen werden im Gewebe an strukturellen Grenzflächen reflektiert und gestreut. Man kann dann mit dem Teil der reflektierten Schallwellen, die zum Schallsender zurückkehren im Impuls-Echo-Verfahren Bilder der inneren Organe / Weichteilstrukturen des menschlichen Körpers erstellen. Die Tiefe im Gewebe kann durch Bestimmung der Laufzeit zwischen Aussendung und Wiedereintreffen der Ultraschallwellen am Schallkopf, ermittelt werden. Außerdem ist es möglich mit Hilfe des Doppler-Effektes Bewegungen zu messen und bildlich umzusetzen. Blutflussgeschwindigkeiten und -richtungen lassen sich bestimmen, auch farbig im Bild mit Hilfe der Farbdopplertechnik örtlich darstellen.

Lesen Sie auch: Neue Forschung: Ultraschall gegen Alzheimer

Diagnostische Anwendungen des Ultraschalls im Gehirn

Gefäßdiagnostik

Die Ultraschalldiagnostik (Sonographie) in der Neurologie beinhaltet die Beurteilung der den Kopf und das Gehirn versorgenden Schlagadern (Arterien) mit der sogenannten Doppler- bzw. Farbduplexsonographie. Außerhalb des Kopfes (extrakraniell) sind das die großen vorderen Halsschlagadern (Arteria carotis) und die kleineren hinteren Halsschlagadern (Arteria vertebralis). Mit modernen Geräten gelingt es, auch Arterien innerhalb des Kopfes (intrakraniell) darzustellen. Hierbei wird der Ultraschallkopf vom Untersucher an die Schläfen bzw. am Nacken vor das große Hinterhauptsloch (Foramen magnum) gehalten. Untersucht werden die sogenannten Hirnbasisarterien, die anatomisch im ringförmigen Circulus Willisii mit den davon abzweigenden vorderen, mittleren und hinteren hirnversorgenden Arterien (Arteria cerebri anterior, media und posterior) angeordnet sind, sowie die intrakraniellen Abschnitte der Vertebralarterien, die sich vor dem Hirnstamm zur Arteria basilaris vereinigen.

Bei allen beschriebenen Gefäßen ist eine Analyse der Blutfluss- geschwindigkeit möglich. Hierbei wird vom Ultraschallgerät die von dem österreichischen Physiker Christian Doppler im 19. Jahr- hundert entdeckte (und nach ihm benannte) Frequenzverschiebung bei sich in Relation zueinander bewegenden Körpern ausgenutzt, um, analog zu einer Radarfalle im Straßenverkehr, die Geschwindigkeit der roten Blutkörperchen zu bestimmen. Farbig kodierte Geschwindigkeits- und Richtungsinformationen werden auf das übliche graue Schnittbild projiziert (Duplexsonographie) und somit anatomische und funktionelle Information vereint.

In der neurologischen Gefäßultraschalldiagnostik werden hauptsächlich Verengungen (Stenosen), Verschlüsse, aber auch Umgehungskreisläufe beurteilt. Sie ist eine Standardmethode in der Ursachenklärung von Schlaganfällen und wird schon aus der Notfallaufnahme heraus oder von der Stroke-Unit initiiert. An den extrakraniellen Halsgefäßen lassen sich mit der anatomischen Information der Duplexsonographie zudem direkt arteriosklerotische Ablagerungen, Änderungen der Gefäßwanddicke oder Einblutungen in eine Gefäßwand (Dissektion) darstellen.

Die gesamte Untersuchung dauert im Allgemeinen ca. 20 bis 30 Minuten und wird, unter Supervision des zuständigen Oberarztes, von einer in der Technik erfahrenen MTA durchgeführt.

Gefäßerkrankungen können zur Verengung (Stenose) oder einem kompletten Verschluss der Schlagadern innerhalb und außerhalb des Kopfes führen. Damit ist die Blutversorgung des Gehirns extrem gefährdet. An den Stenosen tritt eine Flussbeschleunigung ein. Diese Veränderung der Blutfließgeschwindigkeit kann durch die Ultraschalluntersuchung festgestellt werden. Mit der Ultraschall-Doppleruntersuchung werden die Arterien am Hals und im Gehirn untersucht. Die Untersuchung der Hirngefäße am Hals heißt extracranielle Dopplersonographie, die Untersuchung der Hirngefäße im Kopf heißt intracranielle oder transcranielle Dopplersonographie. Der Ultraschall hat eine Schallfrequenz von 2 bis 10 Mega-Hertz, d. h., eine sehr geringe Energie und ist nicht hörbar. Der Patient liegt auf einer Untersuchungsliege und der Kopf ist leicht nach hinten geneigt. Es wird ein Kontakt-Gel aufgetragen, das ungefährlich und gut verträglich ist. Anschließend werden zuerst die Gefäße in den Augen untersucht, anschließend die Gefäße am Hals und unterhalb des Schlüsselbeins. Die Ultraschalluntersuchung belastet den Organismus nicht und kann jederzeit ohne Risiko wiederholt werden.

Lesen Sie auch: Parkinson und Ultraschall

Arteriitis temporalis

Die Arteriitis temporalis (neuer: Riesenzellarteriitis) ist eine systemische Gefäßentzündung, die vor allem bei älteren Menschen die Schläfenarterien befällt. Unbehandelt besteht ein Risiko von 20 Prozent zu erblinden, da die Entzündung der Arterien zu einer ungenügenden Durchblutung der Sehnervenpapille führt. Ein Baustein der Diagnostik ist die spezielle Ultraschalluntersuchung der teils schmerzhaft verdickten Gefäße, bei der sich Wandverdickungen (Halo) darstellen lassen. Gemäß Empfehlungen der Europäischen Rheumaliga (European League against Rheumatism - EULAR) ist die Duplex-Sonographie der Temporalarterien die Methode erster Wahl in der Diagnostik einer Riesenzellarteriitis mit kranialem Befallsmuster.

Weitere neurologische Anwendungen

In Ergänzung zur Elektroneurographie und Elektromyographie lassen sich mit diesem Verfahren Zusatzinformationen erlangen. Besonders ist dies bei der Frage nach einem Karpaltunnelsyndrom und bei der Diagnose entzündlicher Neuropathien (z. B. Dieses Verfahren setzen wir sowohl bei bestimmten Erkrankungen der Augenmuskeln (Myositis) als auch bei Erkrankungen, die durch eine Zunahme des Nervenwasserdrucks (Idiopathische und sekundäre intrakranielle Hypertension, früher Pseudotumor cerebri) zu einer Veränderung am Eintrittspunkt des Sehnervens in den Augapfel (Papille) oder am Sehnerven selbst führen ein.

Parkinson-Erkrankung

Bereits Mitte der 90er-Jahre wurden mit Ultraschall typische Veränderungen wie ein hoher Eisengehalt und vermehrte Entzündungsquellen im Mittelhirn entdeckt, die auf eine Parkinson-Erkrankung hindeuteten. Inzwischen wird diese Methode auf der ganzen Welt angewandt. „Die Veränderungen können sogar schon bei gesunden Menschen nachgewiesen werden, die erst Jahre später die ersten Symptome entwickeln würden“, zeigt sich die Neurologin begeistert.

Therapeutische Anwendungen des Ultraschalls im Gehirn

Transkraniell fokussierter Ultraschall (tFUS)

Roanoke - Ein fokussierter Ultraschall kann die Schädeldecke durchdringen und die Aktivität der darunter liegenden Hirnrinde verändern. Eine Forschergruppe konnte in Nature Neuroscience (2014; doi: 10.1038/nn.3620) mittels transkraniell fokussiertem Ultraschall EEG-Signale im Cortex induzieren, was die Berührungsempfindlichkeit der Probanden veränderte.

Das Ziel war die Oberfläche des Großhirns, genauer die Hirnwindung direkt hinter der Zentralfurche. Dort befindet sich der somatosensorische Cortex, der die taktilen Signale verarbeitet, die über die sensiblen Nerven ans Gehirn übermittelt werden. Tyler verwendete eine Ultraschallsonde, die die Ultraschallwellen auf eine etwa 4,9 mal 18 Millimeter kleine Stelle fokussieren kann. Das Verfahren bezeichnet er als transkraniell fokussierter Ultraschall (tFUS).

Lesen Sie auch: Früherkennung von Schlaganfall

Der somatosensorische Cortex hat bekanntlich eine funktionelle Aufteilung. Sie wird oft dargestellt als Homunculus mit einer Übergröße von Händen, Gesicht und Zunge. Die Forscher richteten den Ultraschall auf eine Stelle des Homunculus, an dem Signale vom Nervus medianus eintreffen, der Teile der Handinnenfläche und der Finger innerviert.

Zunächst zeigen die Forscher, dass der tFUS die Signale von somatosensorischen evozierten Potenzialen (sEP) beeinflusst. Die sEP sind Veränderungen im EEG, welche durch die bewusste Reizung eines peripheren Nervs (oder auch eines Sinnesorgans) ausgelöst werden. Die Versuche belegen, dass die tFUS eine Wirkung auf das Gehirn haben.

Im nächsten Versuch haben die Forscher untersucht, welche Auswirkungen diese Manipulationen auf die Funktion der Nerven haben. Sie bedienten sich dazu zweier klassischer neurologischer Tests: Die Zwei-Punkt-Diskrimination misst den geringsten Abstand auf der Haut, den der Proband bei gleichzeitiger Berührung noch räumlich voneinander wahrnehmen kann.

Bei der Frequenz-Diskrimination geht es darum, die Häufigkeit von Reizen am gleichen Ort unterscheiden zu können. In beiden Tests verbesserte, wie Tyler berichtet, die tFUS die Ergebnisse. Die Probanden konnten näher beieinander liegende simultane Hautreize und Reize in schnellerer Reihenfolge unterscheiden, als in einer Vergleichsgruppe, in der das Ultraschallgerät ausgestellt war.

Damit ist der Ultraschall nach der transkraniellen Magnetstimulation und der transkrani­ellen Gleichstromstimulation das dritte Verfahren, mit dem auf nicht-invasive Weise die Hirnaktivität verändert werden kann. Der Vorteil des tFUS könnte laut Tyler darin beste­hen, dass die räumliche Auflösung deutlich höher ist. Die Forscher können gezielt Regionen von der Größe einer M&M-Schokolinse bestrahlen und die Wirkung auf diesen Punkt beschränken. Bereits die tFUS-Stimulation einer wenige Zentimeter entfernt liegenden Region hatte keine Auswirkungen mehr auf die evozierten Potenziale, berichten die Forscher.

Wie die Wirkung zustande kommt, ist unklar. Tyler vermutet, dass die Ultraschallimpulse die Balance zwischen inhibitorischen und exzitatorischen Signalen verändert. Gefahren gehen seiner Ansicht nach von der Untersuchung nicht aus, da die Energie mit 23,87 W/cm2 weit unter dem Limit von 190 W/cm2 lägen, das in der diagnostischen Anwendung zulässig ist. Der Experte rechnet zunächst mit einer Anwendung im diagnostischen Bereich.

MRT-gesteuerter fokussierter Ultraschall (MRgFUS)

Vielversprechend ist eine relativ neue Technik zur Bekämpfung des essentiellen Tremors, der MRT-gesteuerte fokussierte Ultraschall (MRgFUS). Mittels Ultraschalls wird hierbei im MRT Hirngewebe verödet. Zunächst wird jedoch eine Testerwärmung durchgeführt, die die Nervenzellen vorübergehend lahmlegt. Treten keine störenden Nebenwirkungen auf, wird mit der irreversiblen Verödung begonnen.

Eine neue Art der Behandlung könnte Parkinsonpatienten wieder Hoffnung bringen: Mit Magnetresonanz-gesteuertem, hoch fokussiertem Ultraschall (MRgFUS) haben Ärzte am Universitätsklinikum Bonn erfolgreich zwei Patienten mit schwerem therapieresistentem essentiellem Tremor behandelt. „Wir erreichen mit dieser Methode eine Besserung des Zitterns von 80 Prozent“, zeigt sich Paschen begeistert. Noch ist die Behandlung nur einseitig möglich, es laufen jedoch bereits Studien für einen beidseitigen Einsatz. Weltweit wurden bisher rund 4000 Patienten mit MRgFUS therapiert.

3D-Schalltechnologie

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer IBMT im saarländischen St. Ingbert arbeiten an einer nicht-invasiven Neurostimulation der Gehirnareale auf Basis von Ultraschall. Der entsprechende Applikator (Schallkopf) wird über ein flexibles Pad auf den Kopf gesetzt. Dessen Ultraschallsignale sind von so niedriger Intensität, dass sie das Zellgewebe nicht schädigen, zugleich lassen sie sich durch eine 3D-Steuerung des Schallstrahls (3D-Beam-Steering) sehr genau fokussieren. Mediziner und Forschende setzen daher große Hoffnungen in die Technologie. In Zukunft könnte sie für die Therapie von verschiedensten neurologischen Erkrankungen wie beispielsweise Epilepsie oder zur Behandlung der Folgen von Schlaganfällen eingesetzt werden.

Die Fraunhofer-Forschenden entwickeln das Verfahren im Rahmen verschiedener öffentlicher und industrieller Forschungsprojekte und arbeiten dabei mit Partnern aus Deutschland, der EU, USA, Kanada und Australien zusammen.

Die Fraunhofer-Forschenden im Team von Abteilungsleiter Steffen Tretbar haben für die Technologie einen einzigartigen Aufbau entwickelt. Dieser ermöglicht es, die Ultraschallwellen auf einzelne Punkte im Gehirn zu richten und sie auch dann gezielt anzusprechen, wenn sie tief im Gewebe liegen. Dafür hat das Team einen speziellen Schallkopf mit 256 Einzelelementen, einen Ultraschalltransducer entwickelt. Jedes der 256 Einzelelemente des Schallwandlers lässt sich einzeln ansteuern. Steffen Tretbar erklärt die Grundidee: »Durch eine individuelle Ansteuerung der 256 elektronischen Kanäle wird die Ultraschall-Behandlung 3D-fähig. Die schachbrettartig angeordneten Elemente des Schallwandlers bestrahlen das gewünschte Gehirnareal aus unterschiedlichen Winkeln. Daher kann der Fokus, also der Punkt, an dem sich die Strahlen treffen, auf eine bestimmte Tiefe im Gehirngewebe gesetzt werden. Für die Schallwandler nutzen die Fraunhofer-Forschenden piezoelektrische Elemente. Diese verändern ihre Oberfläche, wenn eine Spannung angelegt wird, und produzieren so den Ultraschall.

Die Forscher arbeiten derzeit an einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit, indem sie zwei Ultraschalltransducer gleichzeitig einsetzen und die Schallstrahlen dynamisch im Zielareal kreuzen. Die Kombination aus einem sehr kleinen Fokus zwischen drei und fünf Millimetern und nahezu beliebiger Platzierung des Fokus in der Tiefe des Gehirns schafft die Möglichkeit zielgerichteter und gleichzeitig schonender Modulation der Gehirnareale. Die Ultraschallfrequenzen bewegen sich im niederfrequenten Bereich unter 1 MHz, beispielsweise bei etwa 500 kHz. »Der Mensch merkt nichts, und der Ultraschall ist aufgrund seiner geringen Intensität nach derzeitigem Stand der Forschung unbedenklich«, erklärt Tretbar. Für eine Behandlung, die nach Einschätzungen von Medizinerinnen und Medizinern pro Sitzung nur wenige Minuten dauern wird, muss das Haar nicht abrasiert werden. Vor dem Aufsetzen des Pads mit dem Ultraschall-Modul auf den Kopf muss lediglich ein Kontaktgel in das Haar einmassiert werden.

Das Team des Fraunhofer IBMT hat neben dem Ultraschalltransducer und der Elektronik auch die Software entwickelt, mit der die 256 Elemente des Schallwandlers einzeln angesteuert werden. Die für die Planung nötigen Daten erhält die Software aus den Ergebnissen einer Magnetresonanztomografie des Patienten oder der Patientin. Darin werden die für die jeweilige neuronale Erkrankung verantwortlichen Gehirnareale und deren Position markiert. Die Markierungen fließen in einen Datensatz ein, der in die Steuerungssoftware eingespeist wird. Mit diesen Positionsdaten lassen sich die Ultraschallsignale exakt ausrichten. Es ist darüber hinaus möglich, das Ultraschallgerät so zu programmieren, dass die Strahlen in einer vordefinierten Sequenz gesendet werden oder bestimmten Bewegungsmustern folgen. Damit könnten die Ärztinnen und Ärzte in Zukunft alle Parameter individuell für den Menschen festlegen. »Das ist noch ein recht neues, aber sehr vielversprechendes Forschungsfeld. Derzeit arbeiten weltweit Kliniken und Forschende daran, solche Ultraschallsequenzen zu entwickeln und zu erproben«, ergänzt Tretbar.

Das Fraunhofer IBMT hat jahrelange Erfahrung in der Entwicklung von Ultraschall-Arrays, mehrkanaligen Ultraschallsystemen und der Formung von Schallstrahlen via Beam-Steering. Auf Basis dieser Expertise ist eine universal einsetzbare Technologie-Plattform entstanden, die laufend weiterentwickelt wird. »Forschende können unsere Technologie-Plattform nutzen, um ganz verschiedene Therapien zu entwickeln und in Zukunft auch in klinischen Testreihen zu erproben«, sagt Tretbar. Ärztinnen und Ärzte erwarten von der Ultraschall-Behandlung bei Erkrankungen wie beispielsweise Parkinson und Epilepsie zwar keine vollständige Heilung, aber zumindest eine spürbare Linderung der Symptome. Zudem stellt Ultraschall eine vielversprechende Alternative zu klassischen Medikamenten dar. Langfristig sind mit der neuen Technologie auch Szenarien wie das Lösen von Plaque in den Gehirnzellen bei Alzheimer-Erkrankungen oder die Behandlung von Depressionen und neuronal bedingten Suchterkrankungen denkbar. Das Fraunhofer-Team arbeitet mit Forschenden verschiedener Projektpartner und Universitäten zusammen. Prof.

Gezielte Medikamentenlieferung

Forschende haben erstmals gezeigt, dass sich Mikrovehikel über Ultraschall durch die Blutgefäße des Gehirns von… bewegen lassen, was neue Möglichkeiten für die gezielte Medikamentenlieferung eröffnet.

Vorteile und Limitationen der Ultraschallanwendung im Gehirn

Vorteile

• Nicht-invasiv: Ultraschall ist ein nicht-invasives Verfahren, das keine Strahlenbelastung verursacht und somit auch während der Schwangerschaft und bei Säuglingen durchgeführt werden kann.
• Hohe räumliche Auflösung: Insbesondere der tFUS ermöglicht eine gezielte Stimulation von Hirnregionen mit hoher räumlicher Auflösung.
• Echtzeituntersuchung: Die Schnittebenen sind in Echtzeituntersuchung mit hoher Bildfrequenzrate frei wählbar.
• Kommunikativ: Sonographische Untersuchungen können in sehr kommunikativer Weise in direktem Gesprächskontakt zwischen Arzt und Patient durchgeführt werden. Eine Befunddemonstration ist umgehend möglich.
• Wiederholbarkeit: Die Ultraschalluntersuchung belastet den Organismus nicht und kann jederzeit ohne Risiko wiederholt werden.
• Mobil: Ultraschall ist ein Verfahren, das beliebig oft ohne großen Aufwand am Patientenbett durchgeführt werden kann. Dadurch kann man einen sehr guten Eindruck vom Verlauf der Erkrankung bekommen und Komplikationen frühzeitig entdecken.

Limitationen

• Physikalische Grenzen: Das Verfahren hat seine physikalisch bedingten Limitationen bei der Durchdringung gashaltiger Strukturen wie der Lunge und des Darmes, wie auch kalkhaltiger Strukturen (insbesondere der Knochen).
• Adipositas: Die Sonographie kommt an ihre Grenzen bei hochgradig adipösen Patienten mit sehr tief liegenden Organen.
• Begrenzter Bildausschnitt: Der auf einem Bild darstellbare schnittbildliche Ausschnitt aus dem Körper ist je nach verwendetem Schallkopf mehr oder weniger begrenzt.

tags: #ultraschall #gehirn #erwachsene #anwendung