Forscher des MIT haben ein Smartphone-großes 3D-Ultraschallsystem entwickelt, das Brustkrebsvorsorgeuntersuchungen häufiger, kostengünstiger und zugänglicher machen soll. Das tragbare Gerät könnte helfen, aggressive Tumore früher zu erkennen, insbesondere für Menschen, die weit von großen Krankenhäusern entfernt leben.
Für Menschen mit einem hohen Brustkrebsrisiko kann sich ein Jahr Wartezeit zwischen den Mammografien wie eine Ewigkeit anfühlen. In den Lücken zwischen den jährlichen Vorsorgeuntersuchungen können Tumore wachsen, und diese sogenannten Intervallkarzinome sind oft aggressiver und schwieriger zu behandeln.
Forscher des MIT haben nun ein tragbares, kostengünstiges 3D-Ultraschallsystem entwickelt, das es deutlich erleichtern könnte, Brustgewebe häufiger zu untersuchen – nicht nur in großen Krankenhäusern, sondern auch in kleinen Kliniken und schließlich auch zu Hause.
Das miniaturisierte System kombiniert eine kleine Ultraschallsonde, etwas kleiner als ein Kartenspiel, mit einem Datenverarbeitungsmodul, das nur geringfügig größer als ein Smartphone ist. Angeschlossen an einen Laptop kann es Weitwinkel-3D-Bilder des Brustgewebes in Echtzeit rekonstruieren und anzeigen.
Das kompakte Design ist von zentraler Bedeutung für das Ziel des Teams, den Zugang zu erweitern, bemerkte die leitende Autorin Canan Dagdeviren, außerordentliche Professorin für Medienkunst und -wissenschaften am MIT.
„Alles ist kompakter, und das kann die Nutzung in ländlichen Gebieten oder für Menschen, die möglicherweise Schwierigkeiten mit dieser Art von Technologie haben, erleichtern“, sagte sie in einer Pressemitteilung.
Die Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Fortgeschrittene Materialien für das Gesundheitswesen, wurde von MIT-Doktorand Colin Marcus und dem ehemaligen Postdoktoranden Md Osman Goni Nayeem geleitet, die mit Kollegen am MIT und am Massachusetts General Hospital zusammenarbeiteten.
Ein Drängen auf häufigere Vorsorgeuntersuchungen
Mammografien, die mit Röntgenstrahlen arbeiten, sind nach wie vor das Standardverfahren zur Brustkrebsvorsorge. Allerdings machen Tumore, die zwischen den jährlichen Mammografien auftreten, einen erheblichen Anteil der Fälle aus und sind tendenziell aggressiver als Tumore, die bei Routineuntersuchungen entdeckt werden.
Wird Brustkrebs in einem frühen Stadium erkannt, sind die Überlebensraten extrem hoch. Wird die Erkrankung erst später festgestellt, sinken die Chancen rapide. Diese Diskrepanz hat das Interesse an häufigeren Ultraschalluntersuchungen für Risikopatientinnen geweckt, beispielsweise für Frauen mit dichtem Brustgewebe oder einer starken familiären Vorbelastung.
Ultraschall wird heutzutage jedoch meist nur noch als Folgeuntersuchung eingesetzt, wenn die Mammografie einen verdächtigen Befund ergeben hat. Die Geräte sind groß, teuer und befinden sich in der Regel in den radiologischen Abteilungen großer Krankenhäuser und Kliniken. Zudem ist für ihre Bedienung geschultes Fachpersonal erforderlich.
„Man braucht qualifizierte Ultraschalltechniker, um diese Geräte bedienen zu können. Das ist ein großes Hindernis, um den Zugang zu Ultraschall in ländlichen Gemeinden oder in Entwicklungsländern zu verbessern, wo es nicht so viele qualifizierte Radiologen gibt“, fügte Mitautor Shrihari Viswanath, ein Doktorand am MIT, hinzu.
Durch die Verkleinerung und Vereinfachung der Technologie hofft das MIT-Team, häufigeres Scannen zu ermöglichen – in Gemeindekliniken, Hausarztpraxen und eines Tages auch in den Häusern der Menschen.
Vom am BH befestigten Patch bis zum vollständig tragbaren 3D-Display
Das neue Gerät baut auf früheren Arbeiten von Dagdevirens Gruppe auf. Im Jahr 2023 entwickelte ihr Team ein flexibles Pflaster mit integrierten Ultraschallwandlern, das an einem BH befestigt werden konnte. Ein separater Tracker bewegte sich über das Pflaster, um 2D-Bilder aus verschiedenen Winkeln aufzunehmen, die anschließend zu einer 3D-Ansicht zusammengesetzt werden konnten.
Das System der ersten Generation demonstrierte zwar das Potenzial von tragbarem Brustultraschall, wies aber entscheidende Einschränkungen auf. Die Bilder wurden mit einem herkömmlichen, kühlschrankgroßen Ultraschallgerät erzeugt, und es konnten kleine Lücken in der Abdeckung zwischen den 2D-Schichten auftreten, wodurch selbst kleinste Anomalien übersehen werden konnten.
In der neuen Studie haben die Forscher die Hardware von Grund auf neu konzipiert, um sie vollständig portabel zu machen und echte 3D-Bilder mit weniger Scanpositionen aufzunehmen.
Kernstück des Systems ist ein CHI-Datenerfassungssystem (cDAQ), bestehend aus der Handsonde und einer speziell angefertigten Hauptplatine. Das Ultraschall-Array der Sonde ist in Form eines leeren Quadrats angeordnet – eine Geometrie, die es ermöglicht, dreidimensionale Informationen des darunterliegenden Gewebes zu erfassen.
Bildunterschrift: Das neue System besteht aus einer kleinen Ultraschallsonde (links), die an ein Erfassungs- und Verarbeitungsmodul angeschlossen ist, das etwas größer als ein Smartphone ist.
Kredit: Conformable Decoders Lab am MIT Media Lab
Das vollständig aus handelsüblicher Elektronik gefertigte Motherboard verarbeitet die eingehenden Daten. Es ist so klein, dass es in eine Hand passt und kostet laut dem Team etwa 300 US-Dollar in der Herstellung. An einen Laptop angeschlossen, kann es 3D-Bilder der Brust in Echtzeit anzeigen.
MIT-Provost Anantha Chandrakasan, einer der Mitautoren des Artikels, betonte, wie sehr sich dieses System von herkömmlichen Systemen unterscheidet.
„Herkömmliche 3D-Ultraschallsysteme benötigen teure und sperrige Elektronik, was ihren Einsatz auf spezialisierte Krankenhäuser und Kliniken beschränkt“, erklärte er in der Pressemitteilung. „Durch die Neuentwicklung des Systems hin zu einem extrem kompakten und energieeffizienten Design kann dieses leistungsstarke Diagnoseinstrument aus dem Untersuchungsraum in ein tragbares Gerät integriert werden, das Patienten überall zur Verfügung steht.“
Da das neue Gerät deutlich weniger Strom verbraucht als ein herkömmliches Ultraschallgerät, kann es mit einer einfachen 5-Volt-Gleichstromversorgung betrieben werden – der gleichen Art von Stromversorgung, die auch für viele kleine Unterhaltungselektronikgeräte verwendet wird. Dadurch ist der Einsatz mit Batterie oder Netzanschluss auch in Umgebungen ohne spezielle Infrastruktur möglich.
Ultraschall neu denken – jenseits des Krankenhauses
Seit Jahrzehnten ist die Ultraschallbildgebung eng mit Krankenhausumgebungen und Spezialgeräten verbunden. Das Team hatte sich zum Ziel gesetzt, dies zu ändern.
„Die Ultraschallbildgebung war lange Zeit auf Krankenhäuser beschränkt“, fügte Nayeem hinzu. „Um den Ultraschall auch außerhalb des Krankenhausumfelds einzusetzen, haben wir die gesamte Architektur neu gestaltet und ein neues Ultraschall-Herstellungsverfahren eingeführt, um die Technologie sowohl skalierbar als auch praktisch zu machen.“
In ersten Tests setzten die Forscher das System an einer 71-jährigen Frau mit Brustzysten in der Vorgeschichte ein. Das Gerät stellte die Zysten erfolgreich dar und erzeugte eine lückenlose, durchgehende 3D-Ansicht des umliegenden Gewebes.
Die Sonde kann bis zu 15 Zentimeter tief Bilder aufnehmen, und das Team berichtet, dass Scans aus nur zwei oder drei Positionen ausreichen, um die gesamte Brust abzudecken. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschalluntersuchungen, bei denen die Sonde oft fest in das Gewebe gedrückt werden muss, liegt dieses Gerät sanft auf der Haut.
Dieser sanfte Kontakt trägt dazu bei, die Genauigkeit der klinischen Beobachtungen zu erhalten.
„Mit unserer Technologie muss man sie nur sanft auf das Gewebe aufsetzen, und sie kann die Zysten an ihrem ursprünglichen Ort und in ihrer ursprünglichen Größe sichtbar machen“, fügte Dagdeviren hinzu.
Was kommt als nächstes
Die Forscher führen derzeit eine größere klinische Studie am MIT Center for Clinical and Translational Research und am Massachusetts General Hospital durch, um die Leistung des Geräts weiter zu evaluieren.
Gleichzeitig arbeiten sie daran, die Elektronik noch weiter zu verkleinern. Ihr Ziel ist ein Datenverarbeitungssystem von der Größe eines Fingernagels, das sich direkt mit einem Smartphone verbinden lässt. Dadurch würden ein separates Modul und ein Laptop überflüssig, was das gesamte System kleiner, leichter und benutzerfreundlicher machen würde.
Das Team plant außerdem die Entwicklung einer KI-gestützten Smartphone-App, die Anwenderinnen bei der optimalen Platzierung der Sonde auf der Brust unterstützt. Diese Art von Anleitung könnte entscheidend sein, falls das Gerät zukünftig von Patientinnen zu Hause und nicht von geschultem Fachpersonal verwendet wird.
Während die aktuelle Version relativ schnell in Arztpraxen und radiologischen Zentren Einzug halten könnte, stellen sich die Forscher letztendlich einen vollständig tragbaren Sensor für Menschen mit hohem Brustkrebsrisiko vor. Ein solches Gerät könnte in die Kleidung integriert und regelmäßig zur Überwachung von Veränderungen im Laufe der Zeit eingesetzt werden.
Dagdeviren arbeitet mit Unterstützung von MIT-Programmen für Unternehmertum und Innovation sowie externen Geldgebern an der Gründung eines Startups zur Kommerzialisierung der Technologie. Die Forschung selbst wurde von der National Science Foundation, Industriepartnern und philanthropischen Stiftungen gefördert.
Wenn das Gerät in den Studien weiterhin gute Ergebnisse erzielt und Eingang in die klinische Praxis findet, könnte es dazu beitragen, das Brustkrebs-Screening von einer einmal jährlich durchgeführten Untersuchung zu einem kontinuierlicheren, personalisierten Prozess zu verändern – insbesondere für diejenigen, die es am dringendsten benötigen, aber heute am wenigsten Zugang zu fortschrittlicher Bildgebung haben.