Ermittlung der Materialverteilung in Weichgewebe unter Berücksichtigung von großen Formänderungen auf Grundlage der Ultraschall-Elastografie anhand von B-Bild-Daten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
2.1. Allgemeinverständliche Darstellung der wesentlichen Ergebnisse Die Ultraschall-Elastographie ist ein Verfahren zur Abbildung von Verhärtungen, z.B. Tumoren, in biologischen Geweben. Mittlerweile wird die Elastographie als zusätzliche Bildgebungsoption für verschiedene klinische Ultraschallsysteme angeboten. Ein Einsatz des Verfahrens erfolgt vor allem im Bereich der Prostata- und Mammadiagnose zur Krebsfrüherkennung. Nachteilig bei dieser "konventionellen" Elastographie, die als reine Dehnungsbildgebung ("Strain Imaging") zu verstehen ist, ist jedoch, dass keine quantitative Abbildung mechanischer Materialparameter erfolgt, sondern lediglich eine mit systematischen Artefakten behaftete, qualitative Darstellung harter und weicher Gewebebereiche. Der erfolgreiche Einsatz der Elastographie ist dadurch stark abhängig von der Erfahrung des Benutzers in der Anwendung des Verfahrens sowie in der Interpretation der resultierenden Bilder. Eine quantitative Darstellung von Materialparametern, die bestimmten Gewebetypen, z.B. Tumorgewebe, zugeordnet werden könnten, ist daher wünschenswert. Bei der konventionellen, qualitativen Elastographie ist es erforderlich, das Gewebe während der Aufnahme der Ultraschallbilder nur geringfügig zu komprimieren. Vorteilhaft für eine quantitative Rekonstruktion von Materialparametern unter Anwendung der nichtlinearen Elastizitätstheorie sind allerdings Kompressionen in einer Größenordnung, bei der die konventionelle Elastographie versagt. Kernpunkt dieses Teilprojektes war daher die Entwicklung von Elastographie-Verfahren bei großen Kompressionen. Die Umsetzung erfolgte dabei als "BBild- Elastographie" im Gegensatz zur konventionellen Elastographie, für die hochfrequente Echodaten benötigt werden. Für die B-Bild-Elastographie wurden Blockmatching-Verfahren entwickelt und implementiert, die auf konventionelle, unter Kompression aufgenommene BBilder angewendet wurden. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass derartige Verfahren geeignet sind, um harte Einschlüsse in weichem Gewebe zu detektieren. Es konnte ferner gezeigt werden, dass die konventionelle Elastographie bei höheren Kompressionen (zwischen 3% und 5,5%) aufgrund starker Dekorrelationsartefakte ungeeignet ist, während in demselben Bereich mit der B-Bild-Elastographie gleichgute Ergebnisse erzielt werden können, wie mit der konventionellen Elastographie bei kleinen Kompressionen. Einen weiteren Schwerpunkt stellte die Erweiterung der Elastographie auf eine dreidimensionale Darstellung dar. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass eine Rekonstruktion dreidimensionaler Elastogramme aus einzelnen Dehnungsbildern möglich ist. Im Rahmen einer klinischen Studie zur Früherkennung von Prostatakrebs konnte die Signifikanz der Elastographie nachgewiesen werden. 2.2. Ausblick Wesentlich für die Akzeptanz eines ultraschallbasierten Diagnoseverfahrens ist die Echtzeitfähigkeit. Zukünftige Arbeiten sollten daher eine schnelle Implementierung der B-Bild- Elastographie inklusive der quantitativen Rekonstruktion von Materialparametern auf geeigneten Ultraschall-Geräten einschließen. Für eine Erweiterung auf Volumendarstellungen sind dabei Geräte, die eine dreidimensionale Bildgebung erlauben, vorzuziehen. Für eine genaue Evaluierung der Verfahren hinsichtlich ihrer Eignung für diagnostische Zwecke, insbesondere für die Prostata- und Mammadiagnostik, müssen die Verfahren in weiteren klinischen Studien erprobt werden. Im Falle einer positiven Evaluierung können die Verfahren zur Krebsfrüherkennung genutzt werden und dazu beitragen, gegebenenfalls die Anzahl unnötiger Biopsien zu verringern. Eine wirtschaftliche Verwertung als zusätzliche Bildgebungsmodalität kann durch die Gerätehersteller erfolgen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Arnold A., Mosler J., Reichling S., Khaled W., Bruhns O. T., Ermert H.: An efficient quantitative ultrasonic elastography based on variational h-refinement. 77. Jahrestagung der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (GAMM), Bremen, April 2008.
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Eggert, T.; Khaled, W.; Wenske, S.; Ermert, H.; Noldus, J.: Impact of elastography in clinical diagnosis of prostate cancer. A comparison of cancer detection between B-mode sonography and elastography-guided 10-core biopsies. Der Urologe A, 47 (9): 1212- 1217, Sept. 2008
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Khaled W., Ermert H.: Ultrasonic Strain Imaging and Reconstructive Elastography for Biological Tissue. Chapter 6 in Book; Artmann G. M., Chien S. (Eds.): "Bioengineering 12 in Cell and Tissue Research.", pp. 103-132, Springer Verlag Berlin Heidelberg 2008 (ISBN-13: 978-3-540-75408-4)
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Khaled W.: Displacement Estimation Analyses for Reconstructive Ultrasound Elastography using Finite-Amplitude Deformations. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, Institut für Hochfrequenztechnik, 2007.
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Khaled, W., Bojara, W., Ermert, H. et al.: 1D and 2D Strain Imaging with Intravascular Ultrasound: An In Vivo Study. 5th International Conference on Ultrasonic Measurement and Imaging of Tissue Elasticity, 2006.
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Khaled, W., Ermert, H.: The Inverse Problem of Elasticity: A Reconstruction Procedure to Determine the Shear Modulus of Tissue. Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, 2005, 735-738, 2005.
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Khaled, W., Reichling, S., Bruhns, O.T., Ermert, H.: Displacement Estimators in Ultrasonic Elastography for Finite Deformations. 5th International Conference on Ultrasonic Measurement and Imaging of Tissue Elasticity, 2006.
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Khaled, W., Reichling, S., Bruhns, O.T., Ermert, H.: Ultrasonic strain imaging and reconstructive elastography for biological tissue. Ultrasonics, Vol. 44, Suppl. 1, pp.e199- e202, 2006.
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Khaled, W.; Neumann, T.; Ermert, H.; Reichling, S.; Arnold, A., Bruhns, O.: Evaluation of Material Parameters of PVA Phantoms for Reconstructive Ultrasound Elastography. Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 2007, 1329-1332.
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Khaled, W.; Perrey, C.; Ermert, H.; Bojara, W.; Lindstaedt, M.: Strain Imaging with Intravascular Ultrasound: An In Vivo Study, Ultrasonics Symposium, 2006. IEEE, 2-6 Oct. 2006 Page(s):1313 - 1316
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Khaled, W.; Tait, P.; Ermert, H., Reichling, S., Arnold, A., Bruhns, O. Displacement Estimators Using Angular Insonifications for Reconstructive Elastography. Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 2007, 2279-2282.
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Reichling S., Khaled W., Bruhns O. T., Ermert H.: Shear modulus identification in tissue- like materials. 76. Jahrestagung der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (GAMM), Luxembourg, April 2005.
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Reichling S.: Das inverse Problem der quantitativen Ultraschallelastografie unter Beruecksichtigung großer Deformationen. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Technische Mechanik, 2007.
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Scholz, M.; Lorenz, A; Pesavento, A.; Brendel, B.; Khaled, W.; Engelhardt, M.; Pechlivanis, I.; Noack, V.; Harders, A.; Schmieder, K.: Current status of intraoperative realtime vibrography in neurosurgery. Ultraschall in der Medizin, 28 (5): 493-497 Oktober 2007
