Projekt: HybridEcho - Frühzeitige Diagnose von Krankheiten

Das Else Kröner-Fresenius-Zentrum für Digitale Gesundheit (EKFZ) ist eine gemeinsame fakultätsübergreifende Initiative der TU Dresden, des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus Dresden, fünf Fraunhofer-Instituten – darunter dem Fraunhofer IPMS – des Leibnitz-Institut für Polymerforschung und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf. Ziel ist es, innovative medizinische digitale Technologien vom Labor zu Patientinnen und Patienten zu bringen. Das Fraunhofer IPMS forscht im Projekt HybridEcho daran, die medizinische Bildgebung dank des Einsatzes von hochempfindlichen MEMS-basierten Ultraschallwandlern drastisch zu verbessern.

Als strahlungsfreie, mobile Technologie hat sich Ultraschall als weit verbreitete Technologie in der Medizin längst etabliert. Ultraschallwandler im medizinischen Bereich basieren derzeit meist auf Piezokeramiken und -kompositen. Diese senden Schallwellen aus und das zurückgesendete Echo wird zu einem Bild aufgezeichnet. Die Empfangsqualität von piezobasierten Ultraschallwandlern ist jedoch so gering, dass die räumliche Auflösung auf 1 – 2 mm in 10 cm Tiefe begrenzt ist. Moderne MEMS-basierte Ultraschallwandler bieten hier eine Lösung: Sie erlauben die Nutzung höherer Frequenzbandbreiten, was eine höhere Bildauflösung ermöglicht, und bieten eine kompaktere Bauweise.

Im Projekt HybridEcho kombiniert das Fraunhofer IPMS zusammen mit der Universitätsklinik Carl Gustav Carus Dresden, der Technischen Universität Dresden, dem Fraunhofer IKTS sowie der Contronix GmbH diese Vorteile mit modernsten Auswertealgorithmen. Hierfür wird der aus der 5G-Mobilfunktechnik bekannte massive MIMO-Ansatz (multiple input, multiple output) genutzt. Dabei wird die Sendeleistung gebündelt und die Übertragungseffizienz sowie der Datendurchsatz deutlich gesteigert werden. Daraus ergibt sich eine deutlich gesteigerte Bildqualität des Ultraschalls.

Das Gesamtsystem besteht aus einer mehrkanaligen hybriden Sende- und Empfangseinheit aus piezoelektrischen und MEMS-basierten Ultraschallwandlern. Das Fraunhofer IPMS steuert seine kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler (CMUTs) bei und integrierte diese erfolgreich mit der Piezo-Sensorik auf einem gemeinsamen Substrat. 2021 wurde von der TU Dresden ein Versuchsstand aufgebaut, um die Bildgebungsalgorithmen an diesem System zu testen.

Ab 2022 ist die Erweiterung der bisherigen Sensorik auf mehrkanalige Systeme, höhere Bandbreite, größere Empfangssensitivität mit einem für die Bildgebung geeigneten Packaging geplant. Die verbesserte Technologie verspricht durch die höher auflösende Bildgebung bei größerer Eindringtiefe die frühzeitige Diagnose von Krankheiten (bspw. Krebserkrankungen), reduziert die Kosten und verbessert die Genesungsaussichten durch die hiermit mögliche Therapie von Krankheiten in frühen Stadien. Zusätzlich macht sich das Fraunhofer IPMS stark dafür, die Kooperation mit dem EKFZ 2022 noch deutlich zu intensivieren. Ganz im Sinne von Else Kröner-Fresenius: Forschung fördern. Menschen helfen.