Ultraschall mit Licht

Man nehme einen Laser und bestrahle damit ein Gewebe. Die Photonen dringen darin ein, bis sie auf Moleküle treffen, die die Lichtteilchen absorbieren. Dabei erwärmen sich die Moleküle, dehnen sich schlagartig ein wenig aus und erzeugen dadurch eine Schockwelle. Das eingestrahlte Licht ruft so ein Echo aus Ultraschall hervor. Mit entsprechenden Empfängern aufgefangen und per Computer aufbereitet, lassen sich daraus tomographische Bilder aus dem Inneren des Gewebes rekonstruieren.

"Theoretisch absorbiert jedes Molekül Licht einer bestimmten Wellenlänge. Man muss nur die passende Frequenz finden. Damit wir das Ultraschallecho empfangen können, muss aber noch ein gewisser Schwellenwert überschritten werden. Nur wenn genügend Moleküle vorhanden sind, werden sie für uns sichtbar."

Lihong Wang ist Medizinphysiker an der Washington University in St. Louis im US-Bundesstaat Missouri. Seit über zehn Jahren erforscht er, wie sich Stoffe im Körper durch die Anregung mit Laserlicht zum Aussenden von Ultraschall anregen und über diesen photoakustischen Effekt darstellen lassen. Sehr gut funktioniert das schon mit Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff. Auf Basis der Ultraschallechos erzeugt Lihong Wang Bilder, die den Verlauf von Blutgefäßen im Gewebe zeigen. Photoakustische Tomographie heißt das neue bildgebende Verfahren. Es kann viel tiefer blicken als ein rein optisches Mikroskop, das nur mit Licht arbeitet.

"Brustgewebe konnten wir schon bis zu sechs Zentimeter tief untersuchen – ohne Kontrastmittel. Wenn wir das Gewebe von zwei Seiten durchleuchten, werden daraus zwölf Zentimeter. Für Brustuntersuchungen ist das Verfahren schon gut geeignet."

Wenn Licht Gewebe durchstrahlt, werden die Photonen stark gestreut. Deshalb werden rein optische Analysen wie mit einem Mikroskop schon nach wenigen Millimetern extrem unscharf. Das vom Licht hervorgerufene Ultraschallecho hingegen wird kaum abgelenkt und liefert auch aus mehreren Zentimetern Tiefe noch eine gute räumliche Auflösung. Dabei stellt die photoakustische Tomographie für die Patienten keine körperliche Belastung dar.

"Wir wollen zum Beispiel Neugeborene auf Blutgerinnsel im Hirn untersuchen. Bisher werden dafür Magnetresonanztomographen eingesetzt. Doch es ist ein hohes Risiko, ein empfindliches Frühgeborenes, das noch auf der Intensivstation liegt, für 45 Minuten in eine Untersuchungsröhre zu schieben. Wünschenswert sind Geräte, die einfach von der Bettkante aus Einblutungen im Gehirn erkennen können."

Mit photoakustischen Tomographen ist das möglich. Es sind keine schrankgroßen Apparate, sondern sie sind ähnlich mobil einsetzbar wie heutige Ultraschallgeräte. Im Wissenschaftsmagazin "Science" beschreibt Lihong Wang den aktuellen Entwicklungsstand der Technik. Noch gibt es keine photoakustischen Tomographen, die für den Einsatz im Klinikalltag offiziell zugelassen sind. Doch erste Anwendungen werden bereits in klinischen Studien erprobt. Besonders große Hoffnung setzt Lihong Wang auf eine vereinfachte Früherkennung von Krebs. Krebszellen haben einen gesteigerten Stoffwechsel, sie verbrauchen viel mehr Sauerstoff als gesundes Gewebe.

"Das ist das typische Kennzeichen von Krebs. Mit der photoakustischen Tomographie können wir ohne künstliche Kontrastmittel sehen, wie der Körper Sauerstoff als Teil seines Stoffwechsels einsetzt. Das könnte sehr früh Hinweise auf eine Krebserkrankung liefern."

Lihong Wang rechnet damit, dass photoakustische Tomographen in Zukunft eine ähnliche Bedeutung für Routineuntersuchungen erlangen könnten, wie heute schon die üblichen Ultraschallgeräte.