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SH-US (W. Khaled/ S. Siebers)
SH-US (W. Khaled/ S. Siebers) (english)

Krebsfrüherkennung: Elastographie und  Ultraschall-Multiparameter-Gewebecharakterisierung (Sonohistologie)

Motivation:

In vielen Fällen reichen die verfügbaren Abbildungsmethoden der medizinischen Diagnostik nicht aus, einen Tumor sicher zu erkennen bzw. die Tumorart sicher zu bestimmen. Dieses Teilprojekt des Kompetenzzentrums Medizintechnik Ruhr hat daher die Entwicklung innovativer Diagnosemethoden für eine verbesserte  Krebsfrüherkennung zum Ziel.
Das Prostatakarzinom ist eines der häufigsten bösartigen Krebsleiden des Mannes. In der Mortalitätsstatistik nimmt das Prostatakarzinom nach Erkrankungen an Lungen- und Magen-Darm-Krebs die dritte Position ein. Nur in einem frühen Stadium ist das Prostatakarzinom heilbar, daher ist eine gezielte Früherkennung äußerst wichtig. Die bisherigen Diagnoseverfahren, digitaler Tastbefund, transrektaler Ultraschall und PSA-Wert-Analyse, sind unsicher und daher nicht ausreichend. Die Diagnose des Prostatakarzinoms unter Anwendung von Echtzeitelastographie und Multiparameter-Gewebecharakterisierung mittels Ultraschall bietet die Möglichkeit, Tumoren frühzeitig zu diagnostizieren und damit in einem heilbaren Stadium zu behandeln.
Tumoren der Ohrspeicheldrüse (Parotis) gehören zu den häufigsten Tumoren im Kopf-Hals-Bereich. Während die Lokalisierung des Tumors mit den gewöhnlichen Diagnosemethoden i.d.R. keine Probleme bereitet, ist die genaue Bestimmung der Tumorart umso schwieriger. Oft können beispielsweise bösartige und gutartige Veränderungen nicht unterschieden werden, was zu einer hohen Zahl an unnötigen Operationen führt. Die Sonohistologie kann dazu verwendet werden, gutartige Veränderungen von bösartigen Tumoren zu unterscheiden, um so die Anzahl der Operationen und die damit verbundenen Belastungen zu reduzieren.

Early detection of cancer: Elastography and Ultrasonic multifeature tissue characterization
(Sonohistology)

The Motivation:

In many cases, conventional imaging modalities are not sufficiently suitable for medical purposes. Therefore, alternative approaches have to be suggested. The research work of this project aims towards the early detection of cancer.
The incidence of the prostate carcinoma is one of the highest cancer risks in men in the western world. The prostate carcinoma is only curable at an early stage. Therefore, early detection is extremely important. The different types of diagnostics that are used today lack reliability and are therefore not sufficient. Realtime-Elastography and Multifeature-Tissue-Characterization can considerably improve the early detection of cancer.
In otorhinolaryngology, the incidence of parotid gland tumors is one of the highest of all incidences of tumors. Although the localization of a parotid gland tumor is easy using common diagnostics, the differentiation between benign and malignant lesions is difficult, thus leading to a high number of unnecessary surgeries. Using Sonohistology, benign alterations can be differentiated from malignant tumors and thus the number of surgeries can be reduced.

Methode:

Elastographie, d.h. die ortsaufgelöste Abbildung der Gewebeelastizität mit Hilfe von Ultraschall, ist seit 1991 bekannt, konnte jedoch aufgrund der fehlenden Echtzeitfähigkeit nicht sinnvoll in Kliniken eingesetzt werden.
Das Institut für Hochfrequenztechnik hat eine neue Technik entwickelt, mit der die Elastographie in Echtzeit mit bis zu 30 Bildern pro Sekunde betrieben werden kann. Erst diese Neuerung erlaubt die Anwendung der Elastographie zur Früherkennung des Prostatakarzinoms.
Da Tumoren in der Regel aus festerem Gewebe bestehen, kann durch die Abbildung der elastischen Eigenschaften des Gewebes die Früherkennungsrate drastisch gesteigert werden.
Das Verfahren der Elastographie berechnet kleine Verschiebungen in aufeinander folgenden Ultraschallaufnahmen, die unter verschiedenen Gewebekompressionen aufgenommen werden. Harte Gewebebereiche werden unter Kompression nicht so stark verformt wie weiche Gewebebereiche. In der Vergangenheit hat die Berechnung eines „Elastogramms“ (Abb. 1) einige Minuten benötigt. Mit unserer neuen Methode werden bis zu 30 Bilder pro Sekunde berechnet und dargestellt. Die äußere Kompressionsrate liegt dabei unter 1%.
Bei der Elastographie wird die Kompression des Gewebes manuell vom untersuchenden Arzt herbeigeführt. Bei der Vibrographie, einer Erweiterung der Elastographie die ebenfalls vom Kompetenzzentrum für Medizintechnik entwickelt wurde, wird die Gewebekompression automatisch durch niederfrequente mechanische Vibrationen herbeigeführt. Die Vibrographie liefert sehr stabile und hochwertige Bilder bei noch geringeren Kompressionsraten und bietet sich daher auch für sensible Anwendungen, beispielsweise am offenen Hirn an.
Unser System zur Multiparameter-Gewebecharakterisierung nutzt u.a. adaptive Neuro-Fuzzy-Folgerungssysteme, um Gewebe mittels Ultraschall zu charakterisieren und zu typisieren. Im Multiparameter-Ansatz werden verschiedene Parameter, die beispielsweise den Frequenzinhalt und die Textur der Ultraschalldaten beschreiben, in einem PC-basierten Klassifikationssystem verarbeitet, um Tumoren zu lokalisieren und zu typisieren (Abb. 2).

The Method:

Elastography, i.e. imaging of the elastic tissue properties for tumor detection, is known since 1991. However, it could not be used in a clinical setting because of the lack of real-time capability. The Institute of High Frequency Engineering has developed a new technique for real-time elastography (“strain imaging”) with up to 30 images per second. This achievement allows the use of elastography for the early detection of prostate cancer during conventional transrectal ultrasound examinations.
Since tumors often consist of hard tissue structures, imaging the elastic properties promises to increase the ability to detect cancer.
Elastography computes small displacements in sequential images, which are acquired with varying tissue compression. Hard tissue areas will not be deformed as much as soft tissue areas. In the past, it took several minutes to calculate a single "elasticity map" (Fig. 1). With our new technique, it is possible to calculate and display images with up to 30 frames per second. The external compression is of the order of 1%.
In Elastography, the compression is manually induced by the conducting physician. In Vibrography, which is an extension of Elastography, the compression is automatically induced by low frequency mechanical vibrations, which lead to very stable image sequences at low compression rates.
Our system for Multifeature-Tissue-Characterization uses adaptive neuro-fuzzy inference systems to classify tissue. In the multifeature approach used by our institute, several parameters describing the spectral and textural properties of tissue are fed into a PC-based classification engine to locate and classify tumors (Fig 2.).

Ziel:

Unser Ziel ist es, neue Methoden für die Früherkennung von Krebs zu entwickeln. Da die heute üblichen Methoden nicht zuverlässig genug sind, müssen neue Methoden entwickelt werden, und das so schnell wie möglich, um mit dem steigenden Durchschnittsalter der Bevölkerung in der westlichen Welt schritt zu halten.

The Target:

Our aim is to develop new diagnostic methods for the early detection of cancer. As the conventional methods that are used today lack reliability, new methods have to be created as fast as possible to cope with the rising population age of the western world.
Cancer and especially prostate cancer is one of the enormous diseases of our time. An improved cancer detection rate will have a tremendous impact on our social and financial world.
Next to the improvement of the methods that have been invented here, our aim is to experimentally verify and validate the new techniques in a clinical study and to convert them into products, which can be sold on the ultrasound market.

Vision:

Innovative Verfahren für die medizinische Diagnostik können einen großen Beitrag für eine sichere Krebsfrüherkennung bzw. eine genauere Typisierung von Tumoren leisten. Bei einer frühzeitigen Krebserkennung können rechtzeitig die notwendigen lebensrettenden  Therapiemaßnahmen eingeleitet und so die Mortalität gesenkt werden. Die genaue Bestimmung der Tumorart kann in vielen Fällen dazu führen, unnötige Operationen und die damit verbundenen  Risiken zu vermeiden.

The Vision:

For early detection of cancer and an exact classification of tumors, new innovative methods for medical diagnostics will have a tremendous impact.  Early cancer detection allows an accurate therapy in time and therefore helps decreasing mortality. Exact tumor classification may yield to a reduced number of unnecessary surgeries in many cases.

Calculation of an "elasticity map"

Bild 1: Elastogramm, B-Bild und histologischer Schnitt

Fig. 1: Elastogram, B-Mode image and histology

Multifeature approach

Bild 2: Multiparameter-Ansatz: Malignitätskarte

Fig. 2: Multifeature approach: malignancy map

 
 
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Letzte Änderung: 10.07.2006 | Ansprechpartner: Webmaster