¹Universitätsklinikum Dresden, Dresden, Deutschland
²Institut für Hochfrequenztechnik, Technische Universität Dresden, Dresden, Deutschland

Text

Zielsetzung und Fragestellung: In der Orthopädie und Unfallchirurgie werden zur intraoperativen Diagnostik häufig bildgebende Verfahren mit ionisierender Strahlung eingesetzt. Wiederholte Aufnahmen oder dreidimensionale Darstellungen sind dabei mit einer erhöhten Strahlenbelastung verbunden.

Bereits in der Sicherheitstechnik werden Mikrowellen-Scanner – beispielsweise an Flughäfen – zur Körperprofilaufnahme eingesetzt. Diese Systeme können jedoch nicht in tiefere Gewebeschichten eindringen. In der onkologischen Diagnostik gibt es erste Ansätze zur Darstellung von Tumoren, etwa in der Mammadiagnostik, mittels Mikrowellen.

In der muskuloskelettalen Bildgebung wurde der Einsatz von Mikrowellen bislang nur vereinzelt untersucht. Ziel dieser Arbeit war es daher, zu prüfen, ob eine solche Diagnostik mittels eines planaren Mikrowellenscanners für einen potenziellen intraoperativen Einsatz geeignet ist.

Material und Methoden: Eine initiale Machbarkeitsstudie mit einer mechanisch beweglichen Radarantenne und einem Vektoranalyzer zeigte die grundsätzliche Eignung von Mikrowellenstrahlung für die muskuloskelettale Bildgebung.

Zur weiteren Untersuchung einer möglichen klinischen Anwendung wurde ein planarer Scanner entwickelt. Dazu wurde ein 16-Element-Antennenarray aus acht Sende- und acht Empfangsantennen im Vivaldi-Design mit einer Gesamtbandbreite von 2 bis 8 GHz konstruiert und auf einer mobilen Schiene montiert.

Um Rauschen zu minimieren und eine hohe lineare Signalbandbreite sicherzustellen, wurden ein maßgeschneiderter HF-Generator sowie spezielle Sende- (TX) und Empfangsmodule (RX) entwickelt.

Ergebnisse: Die Nutzung von Mikrowellenstrahlung ermöglicht die differenzierte Erkennung verschiedener Gewebestrukturen (Muskel, Knochen, Fettgewebe, Markraum) anhand ihrer unterschiedlichen Permittivitäten.

Durch die Verwendung eines mobilen Antennenarrays konnte die Datenerfassungszeit von mehreren Stunden auf unter 30 Sekunden für eine Ganzwirbelsäulenaufnahme reduziert werden. Sowohl Schichtaufnahmen als auch vollständige Volumenaufnahmen sind mit einer derzeitigen Auflösung von bis zu 3 mm möglich.

Diskussion und Schlussfolgerung: Die Mikrowellen-Diagnostik bietet ein vielversprechendes Anwendungspotenzial in der muskuloskelettalen Bildgebung.

Auflösung und Bildwiederholungsrate können durch verbesserte Hardware und steigende Rechenleistung – insbesondere unter Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) – weiter optimiert werden, sodass perspektivisch eine Echtzeitbildgebung möglich wäre.

Zwar wird die Auflösung aufgrund physikalischer Einschränkungen nicht mit der von CT- oder Röntgenverfahren vergleichbar sein, jedoch bietet die Mikrowellenbildgebung erhebliche Vorteile: eine unbegrenzte Untersuchungsdauer mit dreidimensionaler Darstellung und ohne die Risiken ionisierender Strahlung.

Dies könnte langfristig ein kontinuierliches Live-Monitoring ermöglichen und möglicherweise sogar eine bildgesteuerte Navigation in chirurgischen Eingriffen unterstützen.

Abbildung 1 [Abb. 1]