Innovative Ultraschallbildgebung des Gehirns und seiner Gefäße: der lange Weg in die medizinischen Leitlinien

Die klassischen Ultraschallverfahren, die heute in der klinischen Routine zur Bildgebung des Gehirns und seiner Gefäße eingesetzt werden, wurden in den 1960er- (B-Mode) und 1980er-Jahren (Farbdoppler) entwickelt [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]. Allerdings wurden sie erst in den späten 1990er-Jahren in die klinischen Standardempfehlungen und Leitlinien aufgenommen [8] [9] [10] [11] [12]. Ein wichtiger Grund für die Verzögerung bei der Übernahme der transkraniellen B-Mode-Sonografie (TCS) und der transkraniellen farbkodierten Duplexsonografie (TCCS) in die klinische Routine war die Konkurrenz zu den sich parallel entwickelnden CT- und MRT-Techniken, die im Gegensatz zum transkraniellen Ultraschall vollständige Gehirn- und (statische) Gefäßaufnahmen in kurzer Zeit und mit hoher Reproduzierbarkeit ermöglichen [13]. Die durch den Schädelknochen eingeschränkte Qualität der Ultraschallbilder war der Grund für die relativ lange Dominanz der eindimensionalen Echo-Enzephalografie (A-Scan) gegenüber der 2-dimensionalen Sonografie (B-Scan), sowie der konventionellen transkraniellen Dopplersonografie gegenüber der TCCS, obwohl diese früh verfügbar waren und vergleichend evaluiert wurden [14] [15] [16]. Anders verhält es sich bei Säuglingen, denn hier können die intrakraniellen Strukturen durch die offene Fontanelle hindurch mit hoher Bildauflösung sonografisch dargestellt werden. Damit können sogar die Hirnrinde und die Brückenvenen beurteilt werden, was mit einem 14-MHz-Schallkopf in dem von K. H. Deeg in der vorliegenden Ausgabe von Ultraschall in der Medizin berichteten Fall elegant demonstriert wurde [17]. Auch die Oberfläche des Schädelknochens kann mit Hochfrequenz-Ultraschall gut untersucht werden, wie in der Studie von Pogliani et al. (diese Ausgabe) [18] unter Verwendung eines 11-MHz-Schallkopfes sehr schön gezeigt wird. Für die transkranielle Sonografie bei Jugendlichen und Erwachsenen sind jedoch niedrigere Ultraschallfrequenzen von etwa 2,5 MHz erforderlich, um den Knochen zu durchdringen, was die Bildauflösung limitiert. Trotz dieses Nachteils hat die Bildqualität der TCS dank technologischer Fortschritte bereits in den 2000er-Jahren ein bemerkenswertes Niveau erreicht, was zu einer relativ hohen Auflösung echogener tiefer Hirnstrukturen in der Fokuszone des Schallkopfs führte [19]. Der jüngste Boom des therapeutischen transkraniellen fokussierten Ultraschalls (tFUS), der z. B. zur Behandlung des essenziellen Tremors eingesetzt wird, hat die Bemühungen um eine individualisierte Optimierung der Knochenpenetration des transkraniellen Ultraschalls intensiviert. Davon könnten in naher Zukunft auch die diagnostischen TCS- und TCCS-Technologien profitieren [20].

Mit den „alten“ B-Mode- und Farbduplexmethoden, die durch den technologischen Fortschritt kontinuierlich verfeinert wurden, können heute viele Fragen in der klinischen Praxis beantwortet werden, und es werden immer noch neue und richtungsweisende Erkenntnisse gewonnen. Dies wird durch mehrere Beiträge in der vorliegenden Ausgabe von Ultraschall in der Medizin unterstrichen. Die aktuellen Standardanwendungen der TCCS in der klinischen Neurologie und der Neuro-Intensivmedizin werden im CME-Artikel von Gröschel et al. (in dieser Ausgabe) prägnant dargestellt [21]. Pinto et al. (diese Ausgabe) untersuchten die klinische Relevanz der TCCS bei der Erkennung von intrakraniellen Vasospasmen bei Patienten mit posteriorem reversiblem Enzephalopathie-Syndrom und/oder reversiblem zerebralen Vasokonstriktionssyndrom [22]. Diese Erkrankungen haben gemeinsame pathophysiologische Mechanismen und können auch gleichzeitig auftreten, allerdings ist das Wissen über Outcome-relevante Faktoren noch begrenzt. Pinto und Mitarbeiter zeigen, dass mittels TCCS nachgewiesene intrakranielle Vasospasmen bei diesen Entitäten eindeutig mit einem schlechteren Outcome verbunden sind [22]. K. H. Deeg (in dieser Ausgabe) stellt das diagnostische Potenzial des hochauflösenden transfontanellären Ultraschalls beim Schütteltrauma-Syndrom vor [17]. In der Studie von Kozel et al. (diese Ausgabe) wird die klassische diagnostische TCS der tiefen Hirnstrukturen mit der neuesten Technologie der Echtzeit-Fusionsbildgebung des Gehirns kombiniert. Dies ermöglicht die akkurate Zuordnung und digitalisierte Quantifizierung der Echogenität des Nucleus caudatus und des Nucleus lenticularis bei Patienten mit der Huntington-Krankheit [23]. Damit konnten die Autoren die Zunahme der Hyperechogenität der Basalganglien bei dieser fortschreitenden Krankheit fundieren und quantifizieren, während frühere Studien diesen Befund nur visuell semi-quantitativ ergaben. Ihre Ergebnisse könnten einem verfeinerten TCS-basierten Krankheits-Monitoring bei Chorea Huntington den Weg ebnen.

Wie steht es um den Transfer neuerer Hirnultraschall-Technologien in die klinische Standardanwendung? 

Der kontrastverstärkte Ultraschall (CEUS) wurde erstmals in den 1980er-Jahren beim Menschen eingesetzt, um die Beurteilung von Gefäßen und Parenchym zu verbessern [24] [25] ([Tab. 1]). Kurz nach der Generierung des ersten speziell entwickelten Ultraschall-Kontrastmittels mit Stabilität während der Lungenpassage untersuchten Bogdahn et al. (1993) die kontrastverstärkte TCCS und zeigten eine deutliche Verbesserung der Darstellung der intrakraniellen Gefäße [25]. Trotz zahlreicher nachfolgender Studien auf dem Gebiet der neurovaskulären Medizin (Review siehe [26]) wird CEUS heute nur gelegentlich in der Neurosonologie eingesetzt, meist zur Beurteilung intrakranieller Gefäße bei insuffizientem transkraniellem Schallfenster. Die unzureichende Nutzung ist zum einen auf die breite Verfügbarkeit der CT- und MR-Angiografie zurückzuführen, zum anderen auf die begrenzte Anzahl gut ausgebildeter Spezialisten, die mit transkraniellem CEUS vertraut sind. Dies könnte sich ändern, wenn laufende Studien den Wert des CEUS für die Erkennung akuter großer intrakranieller Gefäßverschlüsse in der prähospitalen Notfallversorgungssituation belegen können [27]. Dennoch wurde CEUS-TCCS schon früh in eine Leitlinie zur neurovaskulären Bildgebung aufgenommen [10], und eine spezielle Indikation, nämlich der Nachweis des zerebralen Zirkulationsstillstands [28], fand 2015 Eingang in eine Leitlinie [29]. Die Anwendung von CEUS zur Darstellung von Gefäßen (z. B. vaskuläre Fehlbildungen, arterielle Aneurysmen) während einer Hirnoperation am eröffneten Schädel wurde von Prada et al. (2015) [30] beschrieben, befindet sich aber noch im experimentellen Stadium. Die CEUS-Untersuchung des Hirnparenchyms mit sogenanntem Contrast Harmonic Imaging mit niedrigem mechanischem Index, erstmals beschrieben von Postert et al. (1998) [31], wurde bei Erwachsenen hauptsächlich zur transkraniellen Beurteilung akuter Schlaganfall-Läsionen und von Hirntumoren evaluiert [32] [33]. Wegen der Beschränkung auf gewöhnlich eine Schallebene hat diese Technik in der Neurologie nicht die klinische Routineanwendung erreicht, und ihr Potenzial für die Notfallversorgung des Schlaganfalls muss noch belegt werden [34]. Sowohl der CEUS des Hirnparenchyms in der offenen Operation des Gehirns als auch der transfontanelläre CEUS, die beide im letzten Jahrzehnt eingeführt wurden, werden bei weitem noch nicht routinemäßig eingesetzt [35] [36] [37]. Das 3-dimensionale sonografische Oberflächenrendering, das in den 1990er-Jahren in der klinischen Medizin eingeführt wurde [38], wurde 2007 erstmals für die transfontanelläre Bildgebung des Gehirns eingesetzt [39]. Eine 3D-Methode zur Rekonstruktion der Gehirnoberfläche unter Verwendung eines 1–8 MHz volumetrischen Abdomen-Schallkopfes, die pränatal bei Feten eingesetzt wurde, ermöglichte kürzlich eine hervorragende Darstellung der Sulci und Gyri des Gehirns [40] und ist möglicherweise auch bei Kindern und Erwachsenen einsetzbar. Dies könnte zum Beispiel die Quantifizierung und Überwachung der Temporallappen-Atrophie bei Alzheimer-Demenz ermöglichen, was derzeit mit Ultraschall nur indirekt möglich ist [41]. Die Echtzeit-Ultraschall-Fusionsbildgebung ist ein weiteres Beispiel für eine neuartige Technologie, die in den 2000er-Jahren für die Bildgebung des Gehirns entwickelt wurde [42] [43], die jedoch klinisch noch zögerlich durchgeführt und hauptsächlich in der Neurochirurgie eingesetzt wird [44] [45]. Gründe hierfür sind (i) der anhaltende Verbesserungsbedarf der Bildfusionstechnologie, die derzeit bei hochpräzisen Anwendungen ein visuell-manuelles Feintuning erfordert [46], und der auf eine präzisere automatische Bildfusion und die Korrektur von Bildgebungsartefakten abzielen sollte [45]; und (ii) der Mangel an Anwendern, die in dieser neuen Bildgebungstechnologie geschult sind. Außerdem müssen für diese neue Modalität in der klinischen Neurologie und Neuropädiatrie relevante Indikationen ausgemacht werden. Die Scherwellen-Elastografie (SWE) wird seit den 2000er-Jahren in der klinischen Medizin eingesetzt [47]. Chan et al. (2014) berichteten über die erste klinische Anwendung der zerebralen 2-dimensionalen SWE (2D-SWE) während einer offenen Operation am Gehirn, um eine MRT-negative epileptogene Hirnläsion zu erkennen [48]. Anschließend wurden die Ergebnisse einer ersten prospektiven Studie veröffentlicht, die den Einsatz der SWE zur Differenzierung von gesundem Hirngewebe und Tumorgewebe bei offenen Operationen zeigte [49]. Erste transfontanelläre Anwendungen bei Neugeborenen zur Beurteilung der veränderten Hirnsteifigkeit im Zusammenhang mit Hydrozephalus oder Frühgeburtlichkeit wurden 2017 veröffentlicht [50] [51]. Bevor eine routinemäßige Anwendung bei Neugeborenen und Säuglingen in Betracht gezogen wird, müssen allerdings die biologischen Sicherheitsaspekte durch Studien noch genauer bewertet werden [52]. Wenn 2D-SWE bei Neugeborenen eingesetzt wird, sollte die Scanzeit sorgfältig überwacht und auf ein Minimum beschränkt werden [53]. In jüngerer Zeit wurden SWE-Referenzdaten für die transkranielle 2D-SWE des Gehirns bei gesunden Erwachsenen in verschiedenen Altersgruppen veröffentlicht [54]. Dieselbe Arbeitsgruppe konnte zeigen, dass die transkranielle SWE 1–2 Tage nach einem Schlaganfall zwischen Hirnhämatom und -infarkt unterscheiden kann [55]. Es besteht jedoch noch Bedarf an einer methodischen Standardisierung und an der Charakterisierung dynamischer Veränderungen der Gehirnelastizität [56]. Sobald die offenen Fragen zur Sicherheit und Methodik hinreichend beantwortet sind, sollte der prädiktive Wert der transkraniellen SWE in prospektiven verblindeten Studien nachgewiesen werden, z. B. bei Patienten mit hyperakutem Schlaganfall, die noch keine Bildgebung erhalten haben. Advanced Microvascular Imaging (AMI) ist eine kürzlich eingeführte, neue Ultraschall-Bildgebungsmethode, die eine hochsensitive Darstellung langsam durchströmter Blutgefäße bei hoher Auflösung und hoher Bildrate ermöglicht [57]. Die erste AMI-Anwendung in der offenen Chirurgie von Hirntumoren wurde von Ishikawa et al. (2017) berichtet [58] und nachfolgend das transfontanelläre AMI des Gehirns von Goeral et al. (2019) [59]. Bislang gibt es keine Berichte über das transkranielle AMI.

Tab. 1 Zeitlicher Ablauf der Einführung von Ultraschalltechnologien für die Bildgebung von Gehirn und intrakraniellen Gefäßen.

Ultraschallbildgebung Methode	Anwendung beim Menschen (jede klinische)	Transfontanelläre Bildgebung oder Bildgebung am offenen Schädel	Transkranielle Bildgebung (postnatal)	Klinischer Standard (in Leitlinien gelistete transkranielle Bildgebung)	Gründe für Verzögerung
B-Mode	1960er	1975 [2]	1960er [1]	2002 [9] 1	C, T
				2013 [12] 2	C, R
Farbdoppler	1980er	1988 [4]	1988 [4]	2004 [10] 3	C
CEUS-Angiografie	1980er	2015 [33]	1993 [25]	2004 [10] 3	C
				2015 [29] 4	C, E
CEUS-Parenchym	1980er	2014 [35]	1998 [34]	–	C, R
3D-Oberflächenrendering	1990er	2007 [39]	–	–	C, I
RT-Fusionsbildgebung	2000er	2003 [42]	2011 [43]	–	T, R, (I)
SW-Elastografie	2000er	2014 [48]	2018 [54]	–	C, I, S
AMI	2010er	2017 [58]	–	–	E

AMI = „advanced microvascular imaging“; C = Konkurrenz mit anderen Neuroimaging-Verfahren (Einzelheiten siehe Text); CEUS = kontrastverstärkter Ultraschall; E = fehlende/späte Evaluation; I = fehlende klinische Indikation; T = technologische Unreife in den Anfangsjahren; R = begrenzte Ressourcen (qualifizierte Untersucher, Zeit-Ressourcen), RT = Echtzeit (real-time); S = Sicherheitsbedenken; SW = Schwerwellen
¹ transkranielle B-Mode-Sonografie (TCS), die implizit unter Bezugnahme auf Studien empfohlen wird, die eine transtemporale Untersuchung des Gehirns des Neugeborenen beinhaltet haben.
² die erste Leitlinien-Empfehlung für die transkranielle B-Mode-Sonografie (TCS) bei Erwachsenen (Diagnostik der Parkinson-Krankheit).
³ die erste Leitlinien-Empfehlung für die transkranielle farbkodierte Duplex-Sonografie (TCCS) und CEUS-TCCS (Diagnostik und Überwachung von Patienten mit ischämischen zerebrovaskulären Erkrankungen).
⁴ von der Leitlinie empfohlener CEUS-TCCS (optional) zur Diagnose des zerebralen Zirkulationsstillstands.

Wie kann die Zeit zwischen der Einführung neuer Hirnultraschall-Technologien und ihrer Aufnahme in die medizinischen Leitlinien verkürzt werden? 

Hilfreich wäre zweifellos eine größere Anzahl gut konzipierter, prospektiver multizentrischer Studien, die die Vorteile einer innovativen Ultraschallbildgebung hinsichtlich Kosten und Patienten-Outcome belegen. Um dies zu fördern, haben die „European Society of Neurosonology and Cerebral Hemodynamics“ (ESNCH) und die „European Academy of Neurology“ (EAN) vor einigen Jahren eine gemeinsame Initiative zur Zertifizierung von europäischen Referenzzentren in der Neurosonologie (ERcNsono) gestartet. Ergebnisse eines ersten ERcNsono-Projekts wurden gerade publiziert [60]. In den nächsten Jahren sollen durch dieses Kooperationsnetzwerk multizentrische Studien koordiniert werden. Die Bemühungen um die Ausbildung und Schulung von Studenten und Ärzten in der Durchführung von Ultraschalluntersuchungen sollten ebenfalls verstärkt werden. Die ESNCH hat kürzlich die Daten einer multinationalen Umfrage zu Ausbildung, Training, Praxisanforderungen und Anwendungsgebieten der Neurosonologie gesammelt und analysiert (Barracchini et al., zur Veröffentlichung eingereicht). Die Ergebnisse können zu einer weiteren internationalen Harmonisierung und Verbesserung der Neurosonologie-Ausbildung beitragen. Und natürlich sollte jede/r erfahrene Ultraschaller/in auch weiterhin persönlich ihre/seine Begeisterung, Wissen und praktische Erfahrung mit den auszubildenden Kolleginnen und Kollegen teilen!

Prof. Dr. med. Uwe Walter

Conflict of Interest

The author declares that he has no conflict of interest.

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Publication History

Article published online:
13 October 2023