Die dreidimensionale Sonographie ermöglicht die Beobachtung der menschlichen Morphogenese in utero. Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Evaluierung der Darstellung der embryonalen und frühen fetalen Oberflächenmorphogenese mittels transvaginaler 3D-Sonographie unter Anwendung eines neuen Verfahrens (3D-Cut) zur Sichtoptimierung. Fünf Schwangere mit datierten Embryonen wurden longitudinal zwischen der 4. und 12. Woche p.m. transvaginal sonographiert. Die Untersuchungen wurden mit einem 3D-Ultraschallgerät der Firma Kretztechnik (VoluSonâ 530D MT) unter Verwendung einer 3D-Transvaginalsonde (5-8 MHz) durchgeführt. Die 3D-Daten wurden unter Einsatz des 3D-Cut-Verfahrens zu dreidimensionalen Oberflächenmodellen der Embryonen und Feten verarbeitet und mit embryologischen Präparaten gleichen Gestationsalters sowie den Ergebnissen bisheriger 3D-sonoembryologischer Studien verglichen. Die Darstellung der embryonalen und fetalen Oberflächenmorphologie gelang kontinuierlich ab der 6. Woche p.m.. Im chronologischen Verlauf zeigten die beobachteten Embryonen und Feten einen umfangreichen Gestaltwandel von einer C-förmigen Struktur ohne sonographisch fassbare Oberflächendetails hin zu einem Individuum von menschlicher Gestalt. Unter Berücksichtigung der sonographischen Auflösungsgrenzen war eine hohe Übereinstimmung zwischen den sonographischen Oberflächenmodellen und den korrespondierenden embryologischen Präparaten zu verzeichnen. Mit den Ergebnissen 3D-sonoembryologischer Voruntersuchungen ergab sich ebenfalls eine gute Korrelation. Die angewandte sonographische Methode ermöglicht auf nichtinvasive Weise eine detaillierte, systematische dreidimensionale Darstellung von Embryonen und frühen Feten in utero und vermittelt so wertvolle Informationen, die der embryologischen Forschung in dieser Weise bisher nicht zugänglich waren. / Three-dimensional sonography allows the observation of the human morphogenesis in utero. The objective of the presented study was the evaluation of the demonstration of embryonic and early fetal surface morphogenesis by means of transvaginal 3D-sonography using a new procedure (3D-Cut) for the optimization of image quality. Five pregnant women with dated embryos were examined longitudinally by transvaginal 3D-sonography between 3 and 11 completed weeks p.m.. The examinations were performed with a 3D-Ultrasoundmachine (VoluSonâ 530D MT) developed by Kretztechnik (Zipf/Austria) using a transvaginal 5-8 MHz-3D-transducer. The 3D-data were processed to three-dimensional surface models of the embryos and fetuses using the 3D-Cut-procedure and compared with embryologic specimens of corresponding gestational age as well as with the results of prior 3D-sonoembryological studies. Embryonic and early fetal surface morphology could be demonstrated continuously starting from 5 completed weeks p.m.. The observed embryos and fetuses showed an extensive morphological change from a C-shaped structure without sonographically detectable surface details to an individual of human shape. With consideration of the limited sonographic resolution a high agreement between sonographic surface models and the corresponding embryologic specimens was registered. A good correlation was also found with the results of prior 3D-sonoembryological studies. The applied sonographic method allows in a noninvasive way a detailed systematic three-dimensional demonstration of embryos and early fetuses in utero and provides thus valuable information, which was not accessible to embryological research in this way so far.

In der Diagnostik und Reparatur von hyalinem Gelenkknorpel sind neue Methoden zur Quantifizierung von Struktur und mechanischer Belastbarkeit gefragt, um die Behandlung von Knorpelschäden an Millionen von Patienten weltweit zu verbessern. Mittels hochfrequentem, fokussierten Ultraschall werden Oberflächenparameter für Reflektivität und Rauheit an Gelenkknorpel bestimmt. Es wird gezeigt wie die Oberflächenneigung kontrolliert werden kann. Die Ergebnisse vermitteln ein besseres Verständnis über die Zusammensetzung der Ultraschallsignale aus reflektierten und gestreuten Komponenten. 3D Ultraschallscans von Knorpelregeneraten erlauben die Defektstellen volumetrisch zu Quantifizieren. Die Proben wurden zusätzlich nach etablierten Bewertungssystemen benotet, welche auf makroskopischer Beurteilungen, MRT-Scans und Histologie basieren. Die ultraschallbasierten Volumendaten zeigten dabei gute Korrelationen mit den Punktwertungen. Die im Labor verwendeten Messaufbauten zur biomechanischen Charakterisierung von Gelenkknorpel können am Patienten nicht angewandt werden. Daher können Ärzte die Festigkeit von Knorpel bisher nur mittels manueller Palpation abschätzen. Diese Arbeit entwickelt eine Methode der Ultraschall-Palpation (USP), die es erlaubt, die während der manuellen Palpation erzeugte Kraft und Deformation, basierend auf Ultraschallechos, aufzunehmen. Es wurde einen Prototyp entwickelt womit gezeigt werden konnte, dass USP eine ausreichende Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufweist. Wiederholte Messungen können zusätzlich zeitabhängige biomechanische Parameter von Knorpel ableiten. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit verbesserte und neue Möglichkeiten zur strukturellen und biomechanischen Charakterisierung von hyalinem Gelenkknorpel bzw. den Ergebnissen von Knorpelreparatur basierend auf Ultraschalldaten. Diese Methoden haben das Potenzial die Diagnostik von Gelenkknorpel und die Quantifizierung von Knorpelreparatur zu verbessern. / In the diagnostics and repair of hyaline articular cartilage, new methods to quantify structure and mechanical capacity are required to improve the treatment of cartilage defects for millions of patients worldwide. This thesis uses high frequency focused ultrasound to derive surface parameters for reflectivity and roughness from articular cartilage. It is shown how to control the inclination dependency to gain more reliable results. Furthermore, the results provided a better understanding of the composition of ultrasonic signals from reflected and scattered components. 3D ultrasound scans of cartilage repair tissue were performed to quantify defect sites after cartilage repair volumetrically. The samples were also graded according to established scoring systems based on macroscopic evaluation, MRI scans and histology. The ultrasound-based volumetric parameters showed good correlation with these scores. Complex biomechanical measurement setups used in laboratories cannot be applied to the patient. Therefore, currently physicians have to estimate the stiffness of cartilage by means of manual palpation. In the last part of this thesis, a method denoted as ultrasound palpation is developed, which allows for measuring the applied force and strain during manual palpation in real time, solely based on the evaluation of the time of flight of ultrasound pulses. A prototype was developed and its measurement accuracy and reproducibility were characterized. It could be shown that ultrasound palpation has sufficient accuracy and reproducibility. Additionally, by repeated measurements it was possible to derive time-dependent biomechanical parameters of cartilage. In summary, this work shows improved and new possibilities for structural and biomechanical characterization of hyaline articular cartilage and the outcomes of cartilage repair based on ultrasound data. The methods have the potential to improve the diagnostics of articular cartilage and quantification of its repair.

Die Elastografie ist ein diagnostisches bildgebendes Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit oder Amplitude der ins Gewebe eingebrachten Scherwellen. Die Scherwellengeschwindigkeit c in der Leber ist ein Marker zur Fibrosegraduierung. Pathologische Elastizitätsveränderungen, wie sie bei der Herzinsuffizienz auftreten können mittels der Scherwellenamplitude in der Herzwand erfasst werden. Bisherige Verfahren sind durch eine geringe Eindringtiefe/Zeitauflösung limitiert. Dies erschwert die Untersuchung der Leber bei Patienten mit Adipositas oder Aszites und am Herzen. Daher wird in dieser Arbeit die zeitharmonische Vibrationen zur Anregung von Scherwellen im tiefen Gewebe mit der zeiteffizienten Ultraschallelastografie kombiniert. In der Leber wurde c als Maß für die Elastizität und die Dispersion von c als Maß für die Viskosität in 11 Probanden und 24 Patienten mit Leberzirrhose gemessen. Im Herzen wurde die Amplitude als Maß für die relative Elastizitätsänderung des Herzmuskels in Echtzeit bei 11 Probanden und einer Patientin mit Herzinsuffizienz bestimmt. In der Leber ergab sich für Probanden c=1,77(15)ms und für Patienten mit Zirrhose c=3,10(55)ms. Diese 100%ige Separation bestätigt die Stabilität und das diagnostische Potential des neuen Verfahrens. Für die Probanden ergab sich eine Abnahme der Scherwellenamplitude in der Herzwand 121(34)ms vor der Kontraktion des Herzens und ein Anstieg 56(29)ms vor der Relaxation entsprechend den isovolumetrischen Kontaktions- und Relaxationszeiten. Die zeitharmonische Ultraschallelastografie erlaubt erstmalig die Bestimmung der Scherwellengeschwindigkeit der gesamten Leber auch bei Adipositas und Aszites. Dies erweitert den Anwendungsbereich der Ultraschallelastografie in der klinischen Diagnostik wesentlich. Zudem wurde die Anspannungsänderung des Herzmuskels in vivo und in Echtzeit bestimmt. Diese neue Modalität bietet erstmalig die Möglichkeit pathologische Herzveränderungen mittels Elastografie zu diagnostizieren. / Elastography is a diagnostic imaging technology for the quantification of speed or amplitude of external induced shear waves. The shear wave speed c is used as diagnostic marker for the staging of liver fibrosis. In contrast, the shear wave amplitude in the myocardial wall is sensitive to pathologic elasticity alterations induced by cardiac insufficiency. Current methods have a less penetration depth or low spatial resolution. This limits the investigation of liver in patients with ascites or adiposity and of the heart. Therefore the time harmonic vibration, inducing shear waves in deep tissue is combined with the time efficient ultrasound elastography in this work. In the liver, c and the dispersion of c as marker for elasticity and for viscosity respectively was measured in 11 volunteers and 24 patient with cirrhosis. Relative elasticity changes of the myocardial muscle were assessed by measuring shear wave amplitude in real-time in 11 volunteers. As an outlook, one patient with diastolic dysfunction was investigated. The shear wave speed in liver is c=1.77(15)ms for the volunteers and c=3.10(55)ms for the patients with cirrhosis. The 100%age separation between both groups confirms the stability and the diagnostic potential of these new method. In volunteers the shear wave amplitude in the myocardial wall decreases by 121(34)ms prior to heart contraction and increases by 56(29)ms prior to relaxation. This times correlate to the cardiac isovolumetric contraction and relaxation times. for the first times, the new time harmonic ultrasound elastography allows the quantification of shear wave speed in the whole liver even in patients with ascites or adiposity. This extends the field of application for liver-elastography in clinical diagnostics substantially. Furthermore the tension changes in the myocardial wall can be measured in vivo and in real-time. For the first time, this new modality opens the possibility to diagnose pathological alterations by elastography.

Bei der Behandlung von Tumoren und Metastasen werden neben der moderaten Hyperthermie auch minimalinvasive, thermotherapeutische Verfahren als Alternativen zur chirurgischen Resektion und / oder zur Unterstützung der Radio- und Chemotherapie angewandt, bei denen das Gewebe lokal begrenzt zur gezielten Zerstörung durch Koagulation auf Temperaturen bis zu 100 °C erhitzt wird. Dabei zeigen besonders die interstitiellen Techniken bei der Behandlung von Lebermetastasen und Prostataerkrankungen vielversprechende Ergebnisse, jedoch steht derzeit neben der Magnetresonanztomographie kein kostengünstiges, routinemäßig einsetzbares Verfahren zur nicht-invasiven on-line Therapiekontrolle zur Verfügung, so daß diese Eingriffe meist "blind", auf anatomische Normwerte und praktische Erfahrungen des Arztes gestützt, durchgeführt werden. In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der nicht-invasiven Ultraschall Kontrolle der Thermotherapien am Beispiel der laserinduzierten interstitiellen Thermotherapie untersucht und zwei Ultraschallverfahren zur Therapiekontrolle vorgeschlagen. Das erste Verfahren basiert auf der Auswertung von lokalen Veränderungen der Laufzeit des Schallsignals zur Ermittelung der Temperaturverteilung im Gewebe. Es beruht physikalisch auf der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit. Das zweite Verfahren basiert physikalisch auf den Dämpfungseigenschaften von biologischem Gewebe und deren Abhängigkeit von der Gewebestruktur. Mit diesem Verfahren werden Veränderungen in der Frequenzabhängikeit der Dämpfung quantitativ ausgewertet und somit auf den Gewebezustand geschlossen. Beide Verfahren werden im Hinblick auf den klinischen Einsatz entwickelt und in ein experimentelles System zur Therapiekontrolle implementiert, wobei besonderes Augenmerk auf die Entstehung von Störungen und Artefakten durch Patientenbewegungen gelegt und eine Methode zur Kompensation dieser Bewegungen vorgestellt wird. Anhand von in vitro Experimenten und einer ersten in vivo Messung wird gezeigt, daß beide Verfahren zur Therapiekontrolle von thermischen Therapien in Echtzeit tauglich sind. Sowohl anhand von Temperaturkarten als auch anhand von Strukturkarten kann die Läsionsausbreitung während der Therapie nicht-invasiv ermittelt und dargestellt werden. / As alternatives to surgical resection and/or supportive to radio- or chemo-therapy of tumors and metastases minimal invasive thermal treatment procedures besides the moderate hyperthermia are used, by which the tissue is heated up locally to temperatures up to 100 ° C. Particularly the interstitial techniques show promising results with the treatment of liver metastases and prostate cancer. However beside nuclear magnetic resonance tomography there is no economical, by routine applicable procedure for non invasive therapy control at present disposal, so that these interventions are usually executed "blind" by means of anatomical standard values and practical experience of the physician. By the example of the laser induced interstitial thermo-therapy in this work the possibility of non invasive control of thermal therapies by means of ultrasound are evaluated. Two different ultrasonic procedures are proposed for therapy control. The first procedure is based on the analysis of local modifications in the time of flight of the ultrasound signal for determination of the temperature distribution in the tissue. It is based on the physical dependence of the sound velocity on temperature. The second procedure is based on the physical attenuation characteristics of biological tissue and their dependence on the tissue structure. With this procedure changes in the frequency dependence of the ultrasound attenuation are quantitatively analyzed yielding information on the tissue status. Both procedures are developed with regard to the clinical application and are implemented in an experimental system for therapy control, whereby special attention was given to disturbances and artifacts due to patient movement and a method for compensating these movements is presented. With in vitro experiments and a first in vivo measurement it is shown, that both procedures are feasible for real time control of thermal therapies. During the treatment the formation of the therapeutic lesion can be observed and displayed through temperature mapping as well as structural mapping.

Die histologische Diagnostik stellt in der Hämatologie und Onkologie die Voraussetzung einer differenzierten Therapie dar. Minimal-invasive Eingriffe mittels sonographisch-gesteuerter Punktion zur Gewinnung von zytologischen oder histologischen Material bedeutet sowohl einen zeitlichen Gewinn, als auch eine Herabsetzung des Risikos eines operativen Eingriffs. Mit dem gewonnenen Gewebe werden auch immunhistologische Untersuchungen möglich, die z.B. bei Non-Hodgkin Lymphomen notwendig sind. Zur intensiven Polychemotherapie bei malignen Erkrankungen werden oft zentral-venöse Katheter bzw. Port-Anlagen in große Venen eingeführt. Die Komplikationen und deren Management werden aufgezeigt und diskutiert. Eine sonographisch-gesteuerte Venenpunktionstechnik stellt eine Methode dar, die für die Patienten einen risikoarmen und schnelleren Weg bedeuten und als neu-entwickelte Ein-Personen-Technik auch für den Arzt ein innovatives Vorgehen bei einem potentiell komplikationsträchtigen Eingriff mit größerer Sicherheit durchzuführen. / In hematology and oncology histological diagnosis is an important requirement before differential chemotherapy. Sonographically guided puncture techniques achieving cytological and histological material is a time-saving process with moderate risks for the patients. With this material even immunhistological procedures in malignancies like Non-Hodgkin lymphoma are possible. For intensified chemotherapies in malignant diseases central venous catheter such as port catheters are requiriered. In this thesis complications and their management are shown and discussed. The ultrasounically guided central venous puncture represents a method for fast and low risk procedure for our patients. The one-operator technique represents an innovative and save intervention in a potentially risky procedure for physicians.