Bærbare ultralydsscannere skal sikre hurtige diagnoser
I fremtiden vil ultralydsscannere være små og bærbare, så patienter hurtigt kan blive scannet hvor som helst og når som helst. Det er målet med et omfattende højteknologisk projekt med parter fra både industri og forskning.

Klinisk forsøg med de nye teknikker. Data opsamles med en
modificeret kommerciel scanner og vurderes efterfølgende af en række læger
i et dobbeltblændet forsøg. (Foto fra projektet)

 

»Doktor, jeg har ondt i hjertet,« klager en patient til sin privatpraktiserende læge, som straks finder sin bærbare ultralydsscanner frem og scanner hjertet. Resultatet vises på lægens tablet i form af en telefon, iPad eller lignende. Nu kan lægen enten selv tolke scanningen eller dele den med hospitalet, som kan tage stilling til, om patienten skal indlægges, om der skal sættes en behandling i gang, eller om alt er helt normalt.

Når et omfattende, femårigt projekt med Innovationsfonden afsluttes, skal ovenstående eksempel gerne blive dagligdag. Imens ultralydsscanning i dag foregår på hospitalet og udføres af specialuddannet personale med scannere, der er store, dyre og svære at anvende, vil fremtidens scannere nemlig være små og lette at anvende.

Ifølge professor Jørgen Arendt Jensen ved Institut for Elektroteknologi på DTU er projektets mål, at sundhedspersonalet i fremtiden skal kunne have en ultralydsscanner med i lommen. Derfor arbejder forskerne på at fremstille en scanner, der ikke består af andet end ultralydsproben, altså selve scanningshovedet, og som man ikke skal have en specialuddannelse for at kunne anvende.

»Den helt basale idé er, at i dag bruger man et stetoskop til at lytte til folks hjerte eller kigge på lungerne, men hvis nu man kunne se i stedet for at lytte, var det måske bedre. Vi har desuden stort fokus på, at de nye bærbare scannere er transportable, enkle at betjene og ikke mindst billige, så de kan udbredes til mange,« fortæller Jørgen Arendt Jensen.

Bærbare ultralydsscannere kan gavne mange steder

En hurtig og præcis diagnosticering kan ofte betyde forskellen mellem liv og død for patienterne. Forskerne bag projektet angiver en række eksempler, hvor de bærbare ultralydsscannere kan få afgørende betydning:

  • På fødegangen. Hvis man på fødegangen har en bærbar ultralydsscanner, vil jordemoderen kunne se, om blodet kommer rundt til fosteret, om fosteret er orienteret korrekt, og hvor stort fosteret er. Således vil jordemoderen let og hurtigt kunne vurdere, om barnet eksempelvis har navlestrengen rundt om halsen, eller om barnet er for stort til at kunne fødes normalt.
     
  • I ambulancer og udrykningsvogne. I dag kan det være svært at konstatere, om folk har indre blødninger, når de er kommet til stade i en ulykke. Med ultralyd vil man hurtigt kunne finde de steder, hvor der er indre blødninger og kunne vurdere, hvilken behandling der er nødvendig.
     
  • Når lægen går stuegang. Måske er der en patient, der klager over smerter i maven, og hvis lægen har en bærbar scanner med i lommen, vil han hurtigt kunne kontrollere, om det er noget alvorligt, der kræver behandling.
     
  • Under operation. Når kirurgen eksempelvis er i gang med at indoperere en ny hjerteklap, vil hun undervejs kunne bruge ultralyd til at se, om blodet strømmer, som det skal, inden hun lukker igen.
     
  • Ude ved den praktiserende læge. Hvis en patient mener at have hjerteproblemer, kan man foretage en hurtig scanning af hjertet. Lægen behøver ikke nødvendigvis være ekspert i at tolke scanningen, for han vil kunne sende billedet direkte ind til eksperterne på hospitalet, som vil kunne vurdere, om det kræver indlæggelse, behandling, eller om alt er, som det skal være.

Billedkvaliteten er i orden

Fakta

Det femårige projekt er støttet af Innovationsfonden med 75 millioner kroner ud af et samlet budget på 149 millioner kroner.

For at denne fagre nye verden kan komme os alle til gavn, er det nødvendigt, at billedkvaliteten er i orden. Derfor har forskningen på Center for Hurtig Ultralydsbilleddannelse, som Jørgen Arendt Jensen er leder af, primært koncentreret sig om to ting: at udvikle teknikker, der gør, at der ikke skal bruges en masse effekt, det vil sige energi, i ultralydsproben, uden at det går ud over billedkvaliteten.

»Vi har været nødt til at se på effekten, for man kan ikke holde på noget, der bruger 10, 20 eller 100 watt. Så bliver det simpelthen alt for varmt. Og batteriet får en meget dårlig levetid,« fortæller Jørgen Arendt Jensen og fortsætter:

»Vi har udviklet en teknik, der er 60 gange mere effektiv end det, vi har i dag. Så i stedet for, at man skal sende rigtig meget data, op til fem gigabyte i sekundet, kan vi nøjes med at sende 40 eller 80 megabyte i sekundet.«

Med så kraftig en databeskæring skulle man tro, det ville gå ud over billedkvaliteten, men ifølge Jørgen Arendt Jensen ser det ikke ud til at være tilfældet.

»Vi har sat det i klinisk forsøg på Rigshospitalet. Her har vi taget en traditionel scanner og modificeret den sådan, at den kører, ligesom de bedste scannere gør i dag. Og indimellem har vi så vores nye metode kørende på samme tid. Det betyder, at når vi scanner en patient, måler vi på patienten på det samme sted på den samme tid med de to metoder. Så sammenligner vi: Hvad giver den almindelige scanner, og hvad giver vores nye metode?« forklarer Jørgen Arendt Jensen.

Han fortsætter:
»I et randomiseret, blændet studie kan lægerne ikke se forskel, så vi har det videnskabelige grundlag til at sige, at vi i hvert fald kan lave noget, hvor billedkvaliteten er lige så god som på de bedste scannere i dag. Og samtidig kan vi skære en faktor 64 ned på data.«

Proberne skal udvikles i nyt materiale: silicium

Koncept for hvordan et transportabel probe kan anvendes sammen
med en iPad. Proben sender ultralydssignalet trådløst til iPaden, som udfører behandlingen af data og viser ultralydsvideon på skærmen. (Foto fra projektet)

Det er dog ikke blot teknikken i proberne, der skal arbejdes på. Også selve proberne skal udvikles, hvis de skal kunne produceres i store mængder. Den teknik, man i dag anvender til at fremstille prober, er nemlig rigtig dyr. Derfor er forskerne i gang med at udvikle prober, der enten kan printe direkte, eller som bruger silicium. Silicium har nemlig den store fordel, at det kan masseproduceres billigt.

»De her silicium-transducere har været fremme i ret mange år, og vi kunne ikke rigtig forstå, at de ikke blev solgt i et stort antal. Men det viste sig så, at der er nogle effekter, som indtil videre har ødelagt det. De har ikke været pålidelige nok. For eksempel er der opbygget ladning i dem, så man kun har kunnet scanne en halv time, og så er de gået død. Men vi tror, vi har fundet løsningen. Vi har lavet nogle accelererede test, hvor man har kørt proberne 24 timer i døgnet, og her ser det ud, som om de kan være stabile i et par år,« fortæller Jørgen Arendt Jensen.

Han forklarer endvidere, at forskerne har brug for at se lidt mere på den elektronik, der skal sidde i proberne, men at de har byggeblokkene hertil og har foretaget de første eksperimenter.

Videreudvikling af ultralyd: fra 2D til 3D

Endnu et led i projektet er, at forskerne prøver at videreudvikle ultralyd. I dag er ultralyd som oftest et billede, men i fremtiden vil man også kunne fremstille billige prober, der kan foretage 3D-scanninger.

»Vi er lykkedes med at lave prober, der er billige at fabrikere, og som kan lave volumenbilleder. Det vil sige, at i stedet for at lave et snit, et flat billede, vil du kunne lave et volumenbillede af hele hjertet. Det betyder, at du vil kunne se på specifikke steder i hjertet, om det virker korrekt,« forklarer Jørgen Arendt Jensen. 

De prober, der i dag kan lave 3D-ultralyd, er ekstremt dyre. Her skal man kunne opsamle 9.000 elementer på samme tid, og man skal have elektronik og vandkøling i håndtaget, som gør det meget dyrt.

Fakta

Ultralydsscanning er et vigtigt værktøj, når en læge har brug for at vurdere, hvad der sker inde i kroppen. Det kan for eksempel være i forbindelse med fosterdiagnostik, opdagelse af kræftsvulster, undersøgelse af åreforkalkning og dermed risiko for blodpropper samt undersøgelse af hjerte, muskler og led. Praktisk talt alle lægespecialer anvender ultralyd i forbindelse med diagnosticering. En ultralydsscanner fungerer på samme måde som et ekkolod , som fiskere bruger til at lokalisere fiskestimer. Ultralyd sendes i impulser fra en transducer og kastes tilbage mod en måler i apparatet, når de møder væv. Man kan derved danne sig et billede af eksempelvis et foster eller et indre organ.

»Vi har udviklet en teknik, så i stedet for at have 9.000 elementer, har man 142 elementer, og det skærer voldsomt ned på databehovet. Vi har vist, at det kan laves i 3D, og vi kan oven i købet lave ’flow’ i 3D. Det vil sige, at hvis du for eksempel laver et snit hen over aortas hjerteklap, kan du finde ud af, om den lukker helt, om der er turbulens, hvordan turbulensen ser ud og så videre,« fortæller Jørgen Arendt Jensen.

Han understreger, at de ikke er så langt som for 2D-scannerne, men at de har alle byggeblokkene klar og begynder at kunne foretage de første eksperimenter med det nu.

Et stort og ambitiøst projekt

For at projektet skal kunne lykkes, er der er rigtig mange teknologier, der skal til, og derfor bliver projektet stort og dyrt, forklarer Jørgen Arendt Jensen. Forskningsprojektet løber fra 2013 til 2018 og har et totalt budget på 149 millioner kroner, hvoraf Innovationsfonden finansierer de 75 millioner.

»Vi går hele vejen fra teoretisk akustik og metoder over at bygge transducere og bygge elektronik og implementere algoritmerne. Og sætte det i klinisk forsøg og kigge på, hvordan man kan lave businessmodeller for det her og sætte det ud i klinikken, så det virker. Derfor får du et kæmpestort projekt, for der er rigtig mange ting, der skal passe sammen, før det her virker og kan blive til noget. For det kan kun blive til noget, hvis det bliver rigtig billigt og rigtig tilgængeligt og let at anvende,« forklarer Jørgen Arendt Jensen.

Projektet involverer i alt syv parter, som har hver deres ansvarsområde. I forhold til den håndholdte probe er ansvarsfordelingen som følger:

  • Nanotech på DTU udvikler silicium-proben.
     
  • Meggitt A/S udvikler printende prober.
     
  • BK Medical udvikler eletronikken, og partneren STI i USA står for monteringen.
     
  • Institut for Elektroteknologi på DTU udvikler integrerede kredse for elektronikken.
     
  • Center for Hurtig Ultralydsbilleddannelse på DTU udvikler billedalgoritmen.
     
  • Alexandrainstituttet udvikler effektive software-implementationer på tablets og i skyen.
     
  • Rigshospitalet afprøver udstyret.

»Wafer« med 2-D transducer fremstillet i en silicium-proces før transducerne
skæres ud af waferen og monteres. En firkant svarer til en transducer, så det er muligt at have mange transducere på en wafer og dermed sikre en billig produktion. Foto fra projektet

»Alle parter bakker op om visionen og bidrager meget professionelt til projektet. Det har været flot at se,« fortæller Jørgen Arendt Jensen og peger på, at det netop er derfor, projektet kan blive stort og et muligt erhvervseventyr for BK Medical.

Ultralyd i almen praksis er perspektivrigt

Privatpraktiserende læge Niels Ulrich Holm, der er næstformand i Praktiserende Lægers Organisation, ser masser af perspektiv i at have ultralydsscannere i almen praksis.

»Når man ser alt det, man kan med et ultralydsapparat, kan man af og til undre sig over, hvorfor vi fortsat primært benytter et stetoskop til at diagnosticere hjerte og lunger med i almen praksis,« siger han og forklarer nogle af de store styrker ved ultralyd set fra hans stol:

»Med ultralyd er der formentlig mulighed for at lave diagnostik ikke bare på kredsløbet og lungerne, men også for at lave diagnostik i de indre organer i maven. Hvis man nu synes, en gynækologisk undersøgelse er lidt svær, kan man bruge ultralyd til at vurdere livmoderens lejring, vise æggestokkene og se efter eventuel fri væske i det lille bækken. Det vil være enormt rart at kunne supplere med en ultralydsscanning, og det vil også være rigtig godt i forbindelse med udredning af inkontinens og blæreproblemer. Tømmer man blæren ordentligt, eller er der resturin med risiko for infektioner.«

Niels Ulrich Holm peger endvidere på, at det vil øge de privatpraktiserende lægers faglige stolthed og den daglige arbejdsglæde, når man kan færdigudrede og behandle mere uden at viderehenvise. Derfor er Holm også meget positiv over for den udvikling, projektet byder på, i forhold til både pris og kvalitet. Han peger således på, at en væsentlig barriere i forhold til at få ultralyd i privat praksis i dag er, at ultralydsscannere er meget dyre.

Fakta

Udviklingen af bærbare ultralydsscannere er et stort og ambitiøst højteknologisk projekt. Det er det danske amerikanskejede firma BK Medical, der sponsorerer størstedelen af projektet, men derudover er både DTU, Rigshospitalet, Meggitt A/S og Alexandra Instituttet A/S involveret, og alle bidrager til udviklingen af de nye bærbare ultralydsscannere samt til videreudviklingen af ultralyd. P.t. har projektet taget i alt 22 patenter på ny teknologi, så hvis alt går vel, er der basis for et stort erhvervseventyr.

»Mange af de ultralydsapparater, vi bliver præsenteret for, er stadigvæk meget dyre. Og vi kan som privatpraktiserende læger ikke få en eneste tillægsydelse betalt af sygesikringen eller Danske Regioner. De vil ikke betale for ultralyd i almen praksis, og det kan være svært at afskrive 200.000 kroner uden nogensinde at tjene på det. At projektet arbejder på at bedre kvaliteten og sænke prisen er således meget positivt,« anfører Niels Ulrich Holm.

Midt i begejstringen peger han dog også på en række udfordringer. Blandt andet i forhold til selve diagnosticeringen.

»Det diagnostiske speciale har altid været omgærdet af risiko for patientklager. Praktiserende læger kan meget, men vi er ikke speciallæger i radiologi. Hvis man stiller forkerte eller mangelfulde diagnoser, fordi man mangler erfaring i brugen og fortolkningen af en ultralydsundersøgelse, kan det skade patientsikkerheden,« siger Niels Ulrich Holm.

Han fortsætter:
»Det kan også føre til patientklager. Det skal man være meget opmærksom på. Man bliver jo ikke bare radiolog, fordi man køber et apparat. Det vil kræve et uddannelsesløft og stor omtanke for, hvordan man bruger udstyret i det daglige,« anfører Niels Ulrich Holm og påpeger i samme ombæring, at lægerne kun har cirka ti uddannelsesdage om året, og at der generelt flyttes flere og flere opgaver ud i almen praksis.

Bærbare ultralydsscannere kræver omstilling

Også Thomas Abramovitz Bjerre peger på, at der kan være en udfordring i forhold til diagnostikken. Han er overlæge på et middelstort regionshospital, Regionhospital Randers, og har ansvar for ultralydafdelingen. Han er ikke en del af projektet og kender det således ikke i detaljer, men fra sin stol er han lidt nervøs for, om de bærbare ultralydsscannere vil være tilgængelige for ikke-specialiserede læger og peger på, at det i hvert fald kræver en omstilling.

Speciel 2-D-matrix-probe udviklet på DTU. Proben kan nøjes med
62 62=124 elementer til at måle i, hvor en konventionel matrix-probe har
næsten 4.000 elementer. Behovet for databehandling er derfor reduceret med en faktor 30. Foto fra projektet

»Min erfaring er, at ultralyd er svært at lære. Vi har erfaringer med, at akutlægerne i huset har været på et kort kursus for at kunne foretage simple scanninger af akutte patienter med små apparater på afdelingen. Det afføder ofte flere spørgsmål og behov for yderligere referencescanninger hos os og øger dermed belastningen her, hvis de scanner ting, som de ikke mestrer,« forklarer Thomas Abrahamovitz Bjerre, som mener, at det lyder skræmmende med et apparat hos alle praktiserende læger.

For Thomas Abrahamovitz Bjerre bør der i den ideelle verden i stedet være nok røntgenlæger, så der kan udføres scanninger af høj kvalitet med det samme.

»At det på sigt skulle blive muligt at scanne hjertet og så sende en billedsekvens til kardiologen lyder utopisk i mine ører, men jeg udfører ikke ekkokardiografi. Jeg ved dog, at det er svært at sende ’loops’ af mavescanninger, da det er tynde tværsnit, man arbejder med, og det er muligt at få alt til at se sygt ud med de rette håndgreb,« påpeger Thomas Abrahamovitz Bjerre.

Begejstret formand for Patientforeningen

Formanden for Patientforeningen, Niels Jørgen Langkilde, er straks mere positiv. Han peger på, at scanninger er en del af den daglige prioritering på specialafdelingerne, og at scanninger ofte spares væk.

»Danmark er et af de lande, hvor man scanner relativt lidt, fordi man har fastsat priser på scanninger, der er helt uhyrlige. At gøre scanninger billige og tilgængelige på denne måde er således helt i tråd med Patientforeningens dagsorden. Manglende scanninger kan nemlig være et spørgsmål om liv eller død, det har vi mange eksempler på,« siger Niels Jørgen Langkilde.

Billedet viser hastigheden og retningen i tre dimensioner for en pulseret gennemstrømning. Pilenes længde viser hastigheden, og retningen går gennem planen. Billedet er det første i verden, som viser, at en pulseret gennemstrømning kan måles 700 gange i sekundet med en metode og en 2-D-probe udviklet på DTU med kun 124 elementer. Normalt kræves flere end 4.000 elementer. Illustration fra projektet

Han peger i samme ombæring på, at det ikke er en mirakelkur, men at det vil kunne få en afgørende betydning for mange behandlinger.

»Vi ved, at det er ganske vanskeligt at læse scanningsbillederne, og at der bliver overset meget. Det er således ikke en mirakelkur, men det er noget, der vil kunne løfte niveauet på mange behandlingsområder. Jeg mener, det bare er om at komme i gang med at udnytte ny teknologi på denne måde. Det har Patientforeningens fulde opbakning.

Tidshorisont

Jørgen Arendt Jensen indrømmer, at han var lidt skeptisk, da han så de første resultater af arbejdet, men nu er han særdeles positiv og mener, at teknikkerne snart kan komme os alle til gavn og dermed være med til at redde menneskeliv.

»Inden for to-tre år vil vi have de første håndholdte prober, vi kan eksperimentere med, og jeg vil tro, at det kan komme på markedet inden for fem år. I forhold til 3D-scannerne ligger vi på et tidsperspektiv på fem til 10 år, fordi det forskningsmæssigt er meget, meget nyt. Det er først inden for det seneste år, at vi har de her resultater, og jeg har netop talt med USA om patenter på de specifikke teknikker,« fortæller Jørgen Arendt Jensen.