Weiterentwicklung der bewegungsmodellbasierten Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie zur Unterstützung der Brustkrebsdiagnostik und Therapieüberwachung in Patienten

• Antragsteller: Professor Dr. Fabian Kiessling; Professor Dr.-Ing. Georg Schmitz; Professor Dr. Elmar Stickeler
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233312120

Beim Screening und zur Beurteilung verdächtiger Läsionen kommt die Ultraschallbildgebung routinemäßig zum Einsatz. Mit Unterstützung durch die DFG wurde eine kontrastmittelgestützte Superresolution-Technik – die bewegungsmodellbasierte Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie (mULM) – entwickelt. Bei der mULM werden Kontrastmittel-Mikrobläschen in Videosequenzen einzeln lokalisiert und verfolgt. Hierdurch entstehen Bilder der Vaskularisation mit Auflösungen jenseits der Beugungsgrenze für Ultraschallwellen.Diese Methode ermöglicht eine genaue Beurteilung der vaskulären Architektur von Tumoren, der Flussgeschwindigkeiten und -richtungen in einzelnen Gefäßen sowie des relativen Blutvolumens und der Perfusion. Auf diese Weise konnten bei Xenograft-Tumorenim Mausmodell verschiedene morphometrische Parameter extrahiert und in einem Radiomics-Ansatz erfolgreich zur automatischen Unterscheidung der Tumortypen herangezogen werden. In diesem Folgeprojekt soll nun die mULM-Methode für den klinischen Einsatz in Kombination mit einem ultraschallbasierten Radiomics-Ansatz weiterentwickelt und erprobt werden. Zusätzlich soll die Technik für eine 3D-Anwendungmit Echtzeit-Volumenultraschallgerät erweitert werden. In einer ersten, vorläufigen Analyseklinischer Aufnahmen von Brusttumoren konnten wir bereits superaufgelöste Daten von Gefäßverläufen gewinnen. Trotzdem sind noch eine Vielzahl von technischen Herausforderungen zu lösen, um einen robusten Einsatz im klinischen Einsatz zu ermöglichen. Dazu zählen insbesondere der Umgang mit starken Patientenbewegungen,die geringe Bildauflösung und die größere Schichtdicke in klinischen Geräten sowie die noch nicht optimierten Injektionsprotokolle. Diese Faktoren begrenzen die Länge der nutzbaren Bildsequenzen und damit die möglichst vollständige Rekonstruktion der Gefäßverläufe.Um die mULM in der Brustbildgebung anwenden zu können, soll zunächst die Methodik weiterentwickelt und an klinische US-Geräte angepasst werden. Nachfolgend wird die mULM (2D) eingesetzt werden, um den Therapieerfolg von neoadjuvanten Chemotherapienbei Brustkrebs zu überwachen. Die Genauigkeit des Verfahrens wird mit konventionellen kontrastmittelgestützten Ultraschallverfahren verglichen. Außerdem streben wir an, die Methode von einer 2D- auf eine 3D-Aufnahmetechnik zu erweitern. Abschließend sollen diese beiden Ansätze anhand einer kleinen Patientenkohorte mit Brusttumoren unterschiedlicher Dignität verglichen werden. Um das volle Potential der mULM-Datenanalyse nutzen zu können, werden Algorithmen entwickelt und implementiert, die eine automatisierte Auswertung und Clusterung der Gefäßmerkmale ermöglichen. Dazuwerden sowohl Ähnlichkeitsmaße als auch die Clusteranalyse herangezogen. Hierdurch leistet das Projekt einen ersten Beitrag zur klinischen Translation super-aufgelöster und multiparametrischer Ultraschalltechniken und bereitet den Weg für eine ultraschallbasierte Radiomics-Analyse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Echtzeit-Volumenultraschallgerät mit konvexer elektronischer Matrixsonde
• Gerätegruppe: 3900 Ultraschall-Diagnostikgeräte
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Stefanie Dencks; Professorin Dr. Ruth Knüchel-Clarke