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Ultraschallgerät misst Blutfluss und bildet Mikrogefäße im Gehirn ab

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Um mikroskopisch kleine Gefäße abzubilden und den Blutfluss im Gehirn zu messen, verwenden die Forscher ein Instrument namens Ultraschall-Lokalisierungsmikroskopie.

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Dabei werden mikroskopisch kleine Blasen, die durch den Blutkreislauf zirkulieren, als Kontrastmittel verwendet, um die Reflexion von Hochfrequenz-Schallwellen zu messen, die den Körper durchdringen. Bis vor kurzem war die Erfassung von Bildern auf diese Weise langsam und datenintensiv. Jetzt haben die Forscher einen auf Curvelets basierenden Algorithmus entwickelt, mit dem sich die Gefäße und der Blutfluss im Gehirn von Mäusen schnell messen und rekonstruieren lassen. Ihre Arbeit könnte in Zukunft die Erforschung der neurovaskulären Mechanismen ermöglichen, die Krankheiten wie der Alzheimer-Krankheit zugrunde liegen.

Der von den Forschern des Beckman Institute for Advanced Science and Technology an der University of Illinois Urbana-Champaign (Urbana, IL, USA) entwickelte Ansatz nutzt die Ultraschalltechnologie, um in nur wenigen Sekunden Ganzhirnbilder der Mikrogefäße von Tieren zu erstellen. Die Methode beruht auf der Rotation und Skalierung vieler kleiner, willkürlicher Kurven, um die lokale Struktur der Mikrobläschen-Bilddaten zu erfassen. Die Kombination dieses Curvelet-Modells mit einem sparsamkeitsfördernden Algorithmus führte zu einer effizienten und hochgradig verallgemeinerbaren Methode zur Messung des Blutflusses und der Gefäße anhand von Mikrobläschen-Daten in Mäusegehirnen.

Die Methode erfordert eine sehr kleine Menge an Mikrobläschen-Daten, um den Blutfluss und die Mikrogefäße im Gewebe zu rekonstruieren. Sie macht sich die geringe Datenmenge zunutze, die der schnellen Ultraschallbildgebung innewohnt, und beschleunigt die Nachbearbeitung auf 10 bis 30 Sekunden. Mikrobläschen werden in der klinischen Ultraschalluntersuchung von Menschen häufig als Kontrastmittel für die Ultraschallbildgebung verwendet, was den Forschern zufolge die Tür für eine künftige klinische Anwendung der Technologie zur nichtinvasiven Bewertung von Schlaganfällen, Gefäßverschlüssen und der neurovaskulären Gesundheit öffnet.

"Wir haben ein Gerät entwickelt, das die Mikrogefäße des gesamten Gehirns mit sehr hoher räumlicher Auflösung und Eindringtiefe abbilden kann", so Pengfei Song, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik und Bioingenieurwesen, der das Projekt leitete. "Unsere Technologie ist unseres Wissens nach die einzige, die in der Lage ist, die Mikrogefäße des gesamten Gehirns mit einer sehr hohen Auflösung abzubilden, so dass dies ein sehr verlockendes Instrument für Neurowissenschaftler ist

"Viele neurologische Krankheiten und Störungen stehen in engem Zusammenhang mit Gefäßerkrankungen. Auf lange Sicht könnte unsere Ultraschalltechnologie aufgrund der geringen Kosten, der Tragbarkeit und der Sicherheit ein guter Kandidat für eine Screening-Technologie sein. Es besteht auch ein großer Bedarf an der Entwicklung dieser Technologie für präklinische Anwendungen", fügte Song hinzu.