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Scharfe Bilder per Ultraschall

Technik. - Die Ultraschall-Kontrolle gehört zum Standard bei der Untersuchung von Schwangeren. Doch auch Ärzte müssen fleißig üben, um aus den verrauschten Bildern brauchbare Informationen zu erhalten. Ein neues Verfahren liefert jetzt Aufnahmen von nie dagewesener Schärfe und Detailreichtum.

Von Hellmuth Nordwig | 14.08.2007

Wer einen Gegenstand mit Ultraschall untersuchen will, dem diktieren die Gesetze der Physik eine Bedingung: Die Wellenlänge des Schalls muss etwa so groß sein wie das Objekt selbst. Bestandteile von Zellen sind etwa einen Mikrometer groß. Um sie mit Hilfe der Akustik abzutasten, braucht man Ultraschall, dessen Wellenlänge genauso groß ist, und das bedeutet einige Milliarden Schwingungen in der Sekunde. Das ist rund tausend Mal schneller als beim Ultraschall in der medizinischen Diagnostik. Solche Schallsignale lassen sich auf einzelne Zellen richten - durch eine Art Lochblende wie bei der Beleuchtung auf der Bühne, erklärt Eike Weiß vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik bei Saarbrücken.

"Das Loch ist dann etwa 80 Mikrometer groß, das ist also wirklich klein. Dieses Loch dient dazu, den Ultraschall zu fokussieren in die Zelle. Die Größe dieses Spots, den man da beleuchtet, ist ungefähr eins Mikrometer groß, und man misst dann einfach, was gibt mir die Zelle als Echo zurück."

Punkt für Punkt tastet der Ultraschallstrahl die Zelle ab, und mit einem speziellen Mikrofon zeichnen die Forscher die Echosignale auf. Sie werden im Computer ausgewertet - mit Hilfe eines Bauteils, das im Prinzip so funktioniert wie eine Soundkarte, nur wesentlich schneller.

"Sie arbeiten bei einer Soundkarte mit circa 40 Kilohertz, und dieses System arbeitet mit einer Geschwindigkeit von acht Millionen Kilohertz. Und das ist etwas, das vorher nie gemacht wurde, zu demonstrieren: Kann man in diesem Frequenzbereich Schallsignale direkt abtasten."

Wozu aber dieser Aufwand eines "akustischen Mikroskops", wie es die saarländischen Forscher nennen? Schließlich kann man Zellen ebenso gut im Lichtmikroskop studieren.

"Wenn man sich überlegt, was sehe ich – oder was höre ich denn eigentlich, wenn ich ein akustisches Mikroskop mache: Ich höre mechanische Unterschiede. Das heißt, ich habe einen Festkörper oder ein weiches Gewebe und höre, wo sind da Störungen in diesem Gewebe, wie hart ist das Gewebe oder in diesem Fall eine Zelle."

Die Schallwellen klopfen die Zellen also sozusagen auf ihre mechanische Belastbarkeit ab. Im Lichtmikroskop sind die Details einer Zelle dagegen nicht besonders gut zu sehen: Eiweiße und die meisten anderen Bestandteile sind durchsichtig und müssen erst angefärbt werden. Das tötet die Zellen häufig ab. Mit Ultraschall können die Forscher dagegen lebende Zellen untersuchen – vor allem das so genannte Zellskelett. Eike Weiß:

"Die Zelle hat ein inneres Skelett, das aus Aktin, ein einfaches Protein, und verschiedenen anderen Proteinen besteht, die ziemlich hart und stabil sind und vernetzt werden und ein richtiges Netzwerk, einen Schwamm bilden, der relativ hart ist. Je nachdem, welche Funktion die Zelle erfüllen muss – eine weiche Hautzelle oder eine schlagende Muskelzelle – haben Sie ganz andere Anforderungen an die Kräfte, die durch diese Zelle geleitet werden. Da wird das Netz ganz anders ausgebreitet: Einmal haben Sie einen weichen Schaumstoff und das andere Mal eher ein hartes Drahtgerüst, das da aufgebaut wird. Und genau diesen Unterschied wollen wir mit der akustischen Mikroskopie messen."

Das eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen. Zum Beispiel interessieren sich Stammzellforscher dafür, ins Innere der Zellen zu horchen. Stammzellen, das sind die Rohlinge, aus denen alle Zellarten entstehen können. Sie kommen in Embryonen genauso vor wie später in einem erwachsenen Lebewesen.

"Man hat große Schwierigkeiten, wenn man Stammzellen hat, herauszufinden: Was wird die eigentlich. Das ist gerade die Fragestellung, nach der wir forschen. Wird das eine Muskelzelle, wird das eine Leberzelle oder wohin entwickelt sich die Reise dieser Zelle? Und dafür wollen wir die Technologie bereitstellen, um das einfacher zu machen."

Noch gibt es keinen akustischen Katalog, der den Forschern sofort verraten würde, mit welchem der rund 200 Zelltypen des Körpers sie es zu tun haben. Aber dass sich verschiedene Zellarten in ihrem Skelett unterscheiden, das ist bekannt. Und die ersten akustischen Steckbriefe einzelner Zellen haben die saarländischen Forscher auch schon zusammengestellt.

Fraunhofer IBMT Biomedizinische Ultraschallforschung