40 Jahre Realtime-Ultraschall-Schnittbild-Diagnostik

Vortrag von Prof. Hans-Jürgen Holländer, Dinslaken, gehalten anlässlich der Eröffnung der "Ultraschallkoje" im Deutschen Röntgenmuseum in Remscheid.

Sehr verehrte Kolleginnen und Kollegen,

anläßlich der Eröffnung einer Ultraschallabteilung im Röntgenmuseum in Remscheid-Lennep hat Herr Professor Lutz mich eingeladen, Ihnen über die Anfänge der Realtime-Sonographie vor 40 Jahren zu berichten.

Als Gynäkologe fühle ich mich dem Vater der gynäkologisch-geburtshilflichen Sonographie, lan Donald, zu Dank verpflichtet, weshalb ich hier zunächst an ihn erinnern will. Er begann 1955 in Glasgow mit der Untersuchung gynäkologischer Tumoren, worüber er 1958 erstmals berichtete. Wie auch andere Pioniere der Ultraschalldiagnostik, z.B. De Vlieger 1957 in der Neurologie sowie Edler und Hertz in der Kardiologie, benutzte Donald zunächst ein Materialprüfgerät im eindimensionalen A-mode-Verfahren. Auch diese Methode ist ja ein Realtime-Verfahren.

Ende der 50er und Anfang der 60er Jahre wurden dann an mehreren Orten in verschiedenen Kontinenten zweidimensionale Schnittbildgeräte entwickelt, teils mit, teils ohne Wasservorlaufstrecke. Alle diese Geräte arbeiteten mit einer sog. Speicherröhre, auf welcher während des Abtastvorganges innerhalb von 1-2 Minuten ein Schnittbild der untersuchten Körperregion aufgebaut wurde. Dieses Verfahren war also zeitaufwendig, und die auf der Speicherröhre erzeugten Bilder waren hart, schwarz /weiß, ohne Grautöne. Außerdem konnten Bewegungsartefakte infolge des langsamen Bildaufbaus auftreten. Außer zur Untersuchung gynäkologischer Tumoren und des schwangeren Uterus wurden auch schon zu dieser Zeit Untersuchungen der weiblichen Brust vorgenommen - vor allem in Japan und den USA. Dabei wurde In der Differenzialdiagnostik von Mammatumoren eine Treffsicherheit von etwa 90% erreicht. Jedoch war das Verfahren wegen des schlechten Auflösungsvermögens, des Fehlens von Grautönen und des hohen Zeitaufwandes noch nicht mit der Röntgenmammographie konkurrenzfähig.

Das ließ dem jungen Ingenieur Richard Soldner bei der Firma Siemens in Erlangen keine Ruhe. Er konstruierte in den Jahren 1962 bis 1964 ein Gerät, welches mit einer automatischen Abtastung eine Bildfrequenz von zunächst 10, später 16 Bildern pro Sekunde erreichte, so dass das erzeugte Schnittbild direkt, real-time, auf dem Bildschirm betrachtet werden konnte. Dadurch ließen sich die Nachteile der Speicherröhre vermeiden, so dass auf dem Bildschirm nun auch Graustufen abgebildet werden konnten. Außerdem war die Abtastung schnell, so dass die weibliche Brust innerhalb weniger Minuten in zahlreichen Schnittebenen untersucht werden konnte. Insofern erfüllte das Gerät einige Voraussetzungen für ein Mammakarzinom-Screening, welches Soldners Idee war. Da es für die Untersuchung der weiblichen Brust konzipiert war, genügte auch in der Regel eine Eindringtiefe von 12 cm. Und eine entsprechend lange Wasservorlaufstrecke brachte das Bild aus der Nahzone des Schallkopfes und dem Bereich von sog. Wiederholungsechos heraus.

Bei einer ersten Erprobung des Geräts in der Universitäts-Frauenklinik Würzburg im Jahr 1962 erfüllte dieses aber nicht die darin gestellten Erwartungen. - Nach einer Verbesserung kam das Gerät 1965 in die Universitäts-Frauenklinik Göttingen, wo man sich schon seit einiger Zeit mit der Messung des knöchernen Beckens mittels des eindimensionalen A-Mode befasste. Aber auch für die Beckenmessung war Soldners Gerät ungeeignet.

Auf der Suche nach einer geeigneten Anwendungsmöglichkeit kam das Gerät dann 1965 zur Erprobung in die Universitäts- Frauenklinik Münster; denn ein Assistent der Klinik, Dr. P. Weiser, hatte sich 1964 bei der Firma Siemens nach Möglichkeiten der Ultraschalldiagnostik im Bauchraum erkundigt. Außerdem hatte ein Oberarzt der Klinik, Prof. Dr. D. Hofmann, familiäre Verbindungen zur Firma Siemens.

Am 29. Juli 1965 wurde das Gerät von Soldner und seinem Laborchef, Dipl.-Ing. W. Krause übergeben. Zu diesem Zeitpunkt war ich der jüngste Assistent der Klinik, und da ich Interesse an dem neuen Apparat zeigte und noch kein eigenes Arbeitsgebiet hatte, wurde ich beauftragt, dieses Gerät zu testen.

Der Apparat, der später den Namen "Vidoson" erhielt, bestand aus drei Teilen: einem fahrbaren Röntgenstativ, welches links das Sichtgerät (ein modifiziertes Materialprüfgerät System Krautkrämer) mit einem Photovorsatz und rechts an einem in drei Dimensionen beweglichen Arm den von Soldner entwickelten Ultraschallapplikator trug (Abb. [1]).

Abb: 1 Der Prototyp des "Vidoson" der Fa. Siemens, 1966/67.

"Vidoson" prototype by Siemens, 1966/67.

Das Abtastprinzip geht aus Abb. [2] hervor: Im Brennpunkt eines Parabolspiegels dreht sich die Schallquelle innerhalb eines Wasserbades. Die Schallimpulse werden gegen den Parabolspiegel ausgesandt und von diesem - fokussiert - auf die das Wasserbad abschließende Folie reflektiert. Dreht sich die Schallquelle, so resultiert eine parallele Verschiebung des vom Parabolspiegel reflektierten Ultraschallstrahls. Die Ultraschallimpulse treten infolgedessen parallel zueinander in den unter der Folie liegenden Körperteil ein. Auf umgekehrtem Weg erreichen die Echos den Schallkopf, der jeweils nach Aussendung eines Impulses von Sendung auf Empfang umgeschaltet wird.

Abb: 2 Darstellung des Scanprinzips des Vidoson.

Illustration of the Vidoson scanning principle (according to Soldner and Krause, Biomedizinische Technik 1971; 16[3]).

Die Bildfrequenz betrug etwa 16 Bilder pro Sekunde. Die Abtastung erfolgte über eine Breite von 13-14 cm, und die Eindringtiefe betrug bei dem ersten von uns getesteten Prototyp max. 12 cm. (Die Eindringtiefe wurde später auf 16 und schließlich sogar auf 20 cm vergrößert.) Das Gerät arbeitete mit einer Ultraschallfrequenz von 2,5 MHz. Die Impulsdauer betrug etwa l msec. Die mittlere Ultraschallintensität wurde von der Firma Siemens mit ca. 3 mW/cm² angegeben, die Intensität des einzelnen Impulses mit ca. 10 Watt/cm². Durch eine motorische Verschiebung des Strahlerkopfes innerhalb des Schallapplikators (Abb. [3]) konnte die Schnittebene um max. 3,5 cm parallel verschoben werden, ohne den Schallapplikator zu bewegen. Diese Möglichkeit konnte beim Aufsuchen der günstigsten Schnittebene hilfreich sein.

Abb: 3 Ultraschallapplikator des Vidoson.

Ultrasound transducer of the Vidoson.

Zur Beeinflussung der Bildqualität waren drei Regulierknöpfe vorhanden: 1. für die Echoverstärkung, 2. für den Tiefenausgleich und 3. für die Verstärkerschwelle. Bei den ersten Apparaten waren diese Knöpfe noch seitlich hinten am Sichtgerät relativ schwer zugänglich angebracht und durch eine Klappe verdeckt.

Mit dem Gerät wurde uns eine größere Publikation von Sunden übergeben. Dieser hatte eine Weile bei Donald gearbeitet und dann aufgrund seiner Erfahrungen mit dem von Donald u. Mitarb. in Glasgow entwickelten Compoundscanner in Lund eine Dissertationsschrift erstellt. Hieraus lernten wir die Möglichkeiten und Grenzen der Compound-Sonographie kennen.

Allein gelassen mit dem Gerät versuchten wir nun zunächst das zu reproduzieren, was Sunden publiziert hatte. Unser erstes Ziel war die Darstellung gynäkologischer Tumoren, z.B. Myome und Ovarialtumoren. Hierbei waren wir rasch erfolgreich (Abb. [4]). Wir wunderten uns allerdings zunächst, dass die Binnenstruktur der Myome nicht zur Darstellung kamen, bis wir lernten, mit dem unter dem Kläppchen verborgenen Regulierknopf "Verstärkerschwelle" zu spielen. Durch Senkung der Verstärkerschwelle wurden nun auch Binnenstrukturen sichtbar (Abb. [5] ), und zwar besser als auf den Bildern von Sunden, der ja mit einer Speicherröhre arbeitete. Nachdem das neue Gerät zunächst von manchen Kollegen mit Skepsis oder gar Spott betrachtet worden war, änderte sich deren Einschätzung, als es mir gelang, bei einer 81-jährigen, adipösen Patientin eindeutig einen Ovarialtumor darzustellen, der vorher selbst in Narkose nicht getastet worden war.

Abb: 4 Echogramm eines Myoms (Querschnitt) aus dem Jahr 1965. Die Zeilenabstände des Rasters auf diesem und den folgenden Abb. entsprechen einer Entfernung von 2 cm innerhalb des Körpers. Bei hoher Verstärkerschwelle erscheint der Tumor echoleer. - Man beachte auch die gute Darstellung der Schichten der Bauchdecke. - Oben ein Längsschnitt des Operationspräparates.

Echogram of a myoma (cross section) from 1965. The line spacing of the grid in this and the following image represents a distance of 2 cm in the body. When the enhancement threshold is set high, the tumour appears anechoic. - Notice the precise depiction of the different layers of the abdominal wall. - Above: longitudinal section of the surgical specimen.

Abb: 5 Sonogramm eines soliden Ovarialtumors. Deutliche Binnenstruktur des Tumors bei niedriger Verstärkerschwelle. Der Tumor besitzt eine gute Schallleitungsfähigkeit, so dass seine Hinterwand sowohl bei Einstellung 4,5 des Tiefenausgleichs (unten) als auch bei Einstellung 0 (oben) deutlich dargestellt wird.

Sonographic image of a solid ovarian tumour. Distinct internal structure of the tumour at low enhancement threshold. The tumour displays good sound conduction, so that its dorsal wall is depicted clearly when depth gain correction is set at 4,5 (lower image) as well as at 0 (upper image).

Unser zweites Ziel war die Diagnostik in der 2. Schwangerschaftshälfte. - 1965 wurde in unserer Klinik bei ca. 10% aller zur Entbindung eingewiesenen Frauen eine Röntgenuntersuchung durchgeführt. Typische Fragestellungen waren: Zwillinge? Intrauteriner Fruchttod? Hydrocephalus? Anenzephalus? Unklare Lage des Kindes. Nach und nach stellten wir fest, dass sich diese Fragen zum großen Teil auch durch eine Ultraschalluntersuchung beantworten ließen. Nur eine Beckenmessung war nicht möglich.

Nach 8 Wochen wurde die erste Erprobungsphase beendet und das Gerät nach Erlangen zurückgeholt. Unser - vorwiegend positives - Resümee stellten wir am 10. November 1965 in der Med. Gesellschaft in Münster vor. Die Firma Siemens war dadurch ermutigt, die Entwicklung des neues Gerätes fortzuführen, so dass wir ab dem 1. März 1966 nochmals für 3 Monate Gelegenheit bekamen, die Erprobung fortzusetzen.

In der zweiten Schwangerschaftshälfte ergaben sich jetzt neue diagnostische Möglichkeiten. In jener Zeit hatten wir noch viele Schwangere mit Rhesusinkompatibilität zu betreuen. Die Techniken der diagnostischen Amniozentese und der intrauterinen, intraperitonealen Bluttransfusion wurden entwickelt. Dabei erhob sich die Frage, ob man im Ultraschallbild nicht die Plazenta darstellen könne. Wir versuchten es - und es klappte. Nun wurde vor jeder Amniozentese und jeder intrauterinen Transfusion eine Plazentalokalisation mittels Ultraschall vorgenommen. Dabei beobachteten wir erstmals bei schwerer Rhesus-Inkompatibilität eine hydropische Verdickung der Plazenta (Abb. [6]) und die Zeichen eines Hydrops des Kindes (Aszites und Doppelkontur am Kopf infolge der ödematösen Verdickung der Haut, Abb. [7]). Ein intrauteriner Fruchttod war wie im Röntgenbild nach einigen Tagen an einer Deformierung des kindlichen Schädels zu erkennen (Abb. [8]). Aber wir entdeckten plötzlich auch ganz neue Möglichkeiten des Realtime-Verfahrens: Wir konnten im Ultraschallbild Bewegungen des Kindes und seinen Herzschlag beobachten. Und so konnten wir einen intrauterinen Fruchttod nicht wie bisher erst nach mehreren Tagen, nach Auftreten der Mazerationszeichen erkennen, sondern sofort, nämlich durch die Beobachtung des Herzstillstandes.

Abb: 6 Stark verdickte Plazenta bei schwerer Rhesusinkompatibilität (Hydrops placentae).

Highly thickened placenta in a case of severe Rhesus-incompatibility (placental hydrops).

Abb: 7 Kindlicher Schädel mit Doppelkontur infolge Hydrops bei schwerer Rhesus-Erythroblastose. 30. Schwangerschaftswoche.

Fetal head displaying a double contour due to hydrops from severe Rhesus-erythroblastosis (30th gestational week).

Abb: 8 Schädel eines infolge einer schweren Gestose intrauterin in der 33. Woche abgestorbenen Kindes. Deformierung des Schädels infolge Mazeration.

Fetal skull after intra-uterine death in the 33rd week due to severe gestosis. The skull has been deformed by maceration.

An die Möglichkeit, im Realtime-Bild Bewegungen zu beobachten, hatte Soldner bei der Entwicklung des Gerätes noch nicht gedacht. Nachdem wir in der zweiten Schwangerschaftshälfte so atemberaubende Ergebnisse erzielt hatten, setzten wir das Gerät zunehmend auch in der ersten Schwangerschaftshälfte ein. Krause und Soldner hatten uns versichert, dass mit der niedrigen zugeführten Ultraschallenergie keine Schäden beim Embryo verursacht werden könnten. Auch Sunden war aufgrund seiner Literaturrecherche, eigener Erfahrung und eigener Tierexperimente zu dem Ergebnis gekommen, dass diagnostischer Ultraschall keine Schäden am Embryo und an den Ovarien verursache.

Der schwangere Uterus war damals vor der 20. Schwangerschaftswoche diagnostisch noch ein "schwarzes Loch". Der Embryo bzw. Fetus war weder darstellbar, noch war sein Herzschlag so früh festzustellen. Und Bewegungen des Kindes werden von der Mutter ja erst ab etwa der 20. Woche wahrgenommen.

Schon bald konnten wir 1966 während der zweiten Erprobungsphase den Embryo ab der 12. Woche p.m. darstellen und seine Bewegungen beobachten; die Herzaktion ließ sich ab der 13. Woche erkennen. Wir konnten mit Ultraschall eine Zwillingsschwangerschaft schon in der 17. Woche diagnostizieren (Abb. [9]) und differenzialdiagnostisch von einer Blasenmole (Abb. [10]) unterscheiden. Auch Messungen des kindlichen Schädels waren mit dem neuen Ultraschallgerät bereits ab der 13. Woche möglich, wodurch die Bestimmung des Schwangerschaftsalters genauer wurde, als wenn - wie bisher publiziert - die Messung erst nach der 30. Woche vorgenommen wurde.

Abb: 9 Die Köpfe von Zwillingen in der 17. Woche.

The heads of twins in the 17th week.

Abb: 10 Blasenmole in der 18. Woche p.m.

Hydatidiform mole in the 18th week.

Unsere neuen Erkenntnisse über die Bedeutung der Ultraschalldiagnostik für die Geburtshilfe wurden 1967 publiziert. Danach entschied sich die Firma Siemens, eine kleine Serie des neuen Gerätes zu bauen. Es erhielt den Namen "Vidoson", 1967 konnten wir die Nr. l in Betrieb nehmen. Außer einigen anderen Verbesserungen war auf unser Drängen hin die Eindringtiefe auf 15-16 cm vergrößert worden.

Das Vidoson war in unserer Klinik inzwischen allgemein als eminent wichtiges diagnostisches Instrument anerkannt. Die Untersuchungsfrequenz stieg von Jahr zu Jahr, während die Zahl der Röntgen-Schwangerschaftsaufnahmen um über 90% abnahmen. Da die Kollegen der Med. Klinik von der Existenz der neuen diagnostischen Möglichkeit gehört hatten, kamen sie auch zunehmend häufig mit Patienten, die eine vergrößerte Leber und/oder Milz hatten, Aszites oder einen Pericarderguss. So blieb unsere diagnostische Tätigkeit nicht auf gynäkologische Fälle beschränkt (Abb. [11]). Das Vidoson wurde ab etwa 1967 auch in anderen deutschen Frauenkliniken eingesetzt, z.B. in Aachen, Essen, Frankfurt, München und Tübingen.

Abb: 11 Vergrößerte Milz bei Leberzirrhose.

Enlarged spleen in a case of cirrhosis of the liver.

1969 fand in Wien der erste Ultraschall-Weltkongress statt. Dort trugen 13 gynäkologisch-geburtshilfliche Arbeitsgruppen aus aller Welt ihre Ergebnisse mit der Schnittbilddiagnostik vor. Nur 3 von ihnen arbeiteten zu dieser Zeit mit dem Vidoson, alle anderen mit Compound-Geräten. Und so entstand eine lebhafte Diskussion über die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden, die noch etwa 10 Jahre anhielt, bis sich das Realtime-Verfahren allgemein durchsetzte.

In Wien lernte ich 1969 auch Herrn Rettenmaier kennen, den Pionier der Vidoson-Anwendung auf internistischem Gebiet. Er trug dort seine Untersuchungsergebnisse über normale und krankhafte Ultraschallreflexionen in der Leber vor. Danach hatte er heftigen Streit mit den Anwendern der Compound-Technik mit Speicherröhre, welche die normale Leber echoleer fanden, während Rettenmaier mit dem Vidoson auch in der normalen Leber ein Echomuster fand. Rettenmaier bezeichnete später die fehlende Darstellung von Grauwerten als einen Geburtsfehler der Speicherbild-Technologie, welcher erst 1977 durch eine neue Grauwerttechnik des Compoundscan-Verfahrens beseitigt wurde.