Wien – In der 20. Schwangerschaftswoche hat das Herz eines menschlichen Fötus einen Durchmesser von wenigen Millimetern und schlägt mehr als 140-mal pro Minute. Angeborene Herzfehlbildungen, die zu den häufigsten Gründen für den Tod eines Kindes während der Schwangerschaft gehören, waren bisher in diesem Entwicklungsstadium schwer zu erkennen. Neue Ultraschalltechnik bietet eine höhere Genauigkeit, um Erkrankungen des Fötus besser beobachten zu können.

Der Medizintechnikentwickler GE Healthcare Austria in Zipf in Oberösterreich – vor der Übernahme 2001 hieß das Unternehmen Kretztechnik – hat ein Ultraschallsystem entwickelt, das durch ein spezielles Schallkopfdesign und den Einsatz leistungsfähiger Elektronik besonders hohe Auflösungen und Bildwiederholungsraten schafft. Mit der "Elektronik-4-D-Ultraschall-Technologie" zählt das Unternehmen zu den Nominierten des Staatspreises Innovation 2016, der vom Wirtschaftsministerium am 29. März vergeben und von der Förderbank Austria Wirtschaftsservice abgewickelt wird.

"Mit unserem elektronischen 4-D-Schallkopf können wir das Echtzeitverhalten deutlich steigern", erklären Geschäftsführer Roland Rott und Product Manager Peter Falkensammer von GE Healthcare Austria. "Man kann etwa die bewegten 3-D-Bilder eines Fötus synchron am Monitor mit einer Frequenz von 20 bis 25 Bildern pro Sekunde betrachten."

Im Schallkopf eines Ultraschallgeräts befinden sich piezoelektrische Kristalle. Sie verformen sich durch elektronische Impulse und erzeugen so leichte Druckwellen. Die Schallwellen treten in Wechselwirkung mit dem Körpergewebe, werden zurückgeworfen und gestreut. Jene, die am Schallkopf auftreffen, erzeugen über die Kristalle wiederum elektrische Spannungen, die der Computer zu einem Bild verarbeiten kann. Während früher mechanische Schallköpfe üblich waren, bei denen ein Motor die Richtung der Schallwellen vorgab, herrschen heute elektronische vor.

Hier wird eine Vielzahl von Kristallen in jeweils unterschiedlicher Weise angesteuert, um das Signal zu modulieren. "Ursprünglich waren die Ultraschallbilder zweidimensional und statisch, in den 1970ern kamen dann die ersten zweidimensionalen Echtzeitbilder. In den 1990er-Jahren wurde dann der 3-D-Ultraschall entwickelt", blickt Rott zurück.

In dem in Oberösterreich entwickelten System sind im Schallkopf 8000 Kristalle verbaut, die die Schallwellen senden und empfangen. "Durch die hohe Anzahl kommen enorme Datenmengen zusammen." Mehrere Gigabyte an Bildinformationsdaten pro Sekunde müssen in Echtzeit zu 3-D-Bildern zusammengesetzt werden. Für diesen Zweck war ein spezielles Hardwaredesign notwendig. "Wir haben ein hierarchisches System entwickelt, bei dem eine Vorverarbeitung der Daten bereits im Schallkopf passiert. Erst dann werden sie an die zentrale Recheneinheit im Ultraschallgerät weitergegeben", so Falkensammer.

Nachdem durch die Vorberechnung im Schallkopf viel Elektronik auf kleinem Raum zusammenkommt, muss das System gekühlt werden. "Um einerseits die bestmögliche Leistungsausbeute zu haben, andererseits die Vorschriften bezüglich Oberflächenwärme einhalten zu können, wird der Schallkopf aktiv gekühlt", erläutert Falkensammer. Die Kühlflüssigkeit wird durch das Kabel, das zum Schallkopf führt, gepumpt und die Wärme somit abgeführt. Der elektronische Schallkopf wird zum "flüssigkeitsgekühlten Matrix-Schallwandler".

"Mit der Technologie können die Details der fetalen Entwicklung früher und genauer erkannt und somit auch besser behandelt werden", fasst Rott zusammen. "Wir schätzen, dass in Österreich und international insgesamt etwa 1000 Ärzte bereits mit dem System arbeiten." (pum, 16.3.2016)