Hochaufgelöste Ultraschall-Transmissions-Tomographie

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Hesser; Dr. Torsten Hopp
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283966455

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer neuartigen Methode für die Brustkrebs-Früherkennung: hochaufgelöste dreidimensionale Ultraschall-Transmissions-Tomographie, die durch Abbildung quantitativer Gewebeparameter essentielle neue Einblicke in die Brustkrebsdiagnose bringen kann. Die derzeit verwendete Standard-Bildrekonstruktion für die Transmissions-Tomographie verwendet eine strahlbasierte algebraische Rekonstruktionsmethode und ist dadurch in der Auflösung stark limitiert. Dies beschränkt den Anwendungsbereich erheblich, da z.B. kleine Tumore nicht detektiert werden können. In diesem Projekt überwinden wir die limitierte Auflösung durch ein neues iteratives Bildrekonstruktionsverfahren, in dem eine genauere Vorwärtslösung unter Verwendung der Paraxial-Approximation zum Einsatz kommt. Der deutlich höhere Rechenaufwand wird durch anspruchsvolle Optimierungsstrategien bewältigt. Das Ziel des Projektes ist es, die Auflösung der Transmissions-Tomographie um eine Größenordnung zu verbessern während die Anzahl der Iterationen zur Lösung des schlechtgestellten inversen Problems um eine Größenordnung gegenüber der jetzigen Lösung reduziert werden soll. Die Reduktion der Iterationen zusammen mit der effizienten Implementierung der Algorithmen auf parallelen Infrastrukturen wie einem Multi-GPU-System ermöglicht die Rekonstruktion hochaufgelöster 3D-Volumen in klinisch relevanter Zeit zur Befundung am gleichen Tag. Die Entwicklung ist essentiell für ultraschallbasierte Verfahren in der Medizin. Die entwickelte Methode wird in diesem Projekt beispielhaft auf das vielversprechende neuartige bildgebende Verfahren "3D Ultraschall-Computer-Tomographie" (3D-USCT) zur Brustkrebsdiagnose angewendet. In Vorarbeiten hat das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) das welterste 3D-USCT-System entwickelt, aufgebaut und evaluiert, welche mit dem bisherigen Rekonstruktionsverfahren eine Auflösung der Transmissions-Tomographie von max. 12 mm erreicht. Mit Etablierung der hier entwickelten Methode und Verbesserung der Auflösung um eine Größenordnung kann 3D-USCT Tumore potentiell bereits aber einer Größe unter 5mm entdecken und damit die Überlebenschancen von Betroffenen drastisch erhöhen. Durch die Kombination der Expertisen im Bereich Ultraschall (KIT) und schlecht-gestellter inverser Probleme (Universität Heidelberg) bestehen optimale Voraussetzungen zur Durchführung dieses Forschungsvorhabens. Das entwickelte Verfahren wird durch Simulation, Phantomaufnahmen und erste in-vivo Daten evaluiert. Damit legen wir den Grundstein für anschließende klinische Studien zur Evaluierung der Sensitivität und Spezifität. Die Etablierung der hochaufgelösten Transmissions-Tomographie würde den Einsatz von 3D-USCT als ökonomisches, vorteilhaftes Bildgebungs-Verfahren für die Abklärung unklarer Diagnosen ermöglichen. Nach entsprechender Analyse ist es in Zukunft auch denkbar 3D-USCT als Screening-Methode zur Brustkrebsdetektion einzusetzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen