Ultraschall in Med 2015; 36(01): 3-8
DOI: 10.1055/s-0034-1398866
© Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

25 Years of 3D Ultrasound in Prenatal Diagnosis (1989–2014)

25 Jahre 3D-Sonografie in der pränatalen Diagnostik (1989–2014)
E. Merz
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Publication Date:
05 February 2015 (online)

25 years of 3 D ultrasound in prenatal diagnosis represent an important milestone in recent ultrasound history. The initial stages of 3 D ultrasound were anything but easy. Although there were reports of initial experimental in-vitro ultrasound studies as early as the 1970s and 1980s [1] [2], clinical use did not begin until the first commercial 3 D ultrasound unit (Combison 330, Kretztechnik Zipf, Austria) was introduced in 1989 ([Fig. 1]) [3] [4]. With this unit it became possible for the first time to produce so-called multiplanar (= triplanar) images. This means that it was possible to display the three orthogonal two-dimensional image planes at the same time on the monitor ([Fig. 2]). Volume acquisition via a relatively large abdominal 3 D probe, which – in contrast to the 2 D probe – had to be held at a right angle to acquire a longitudinal scan, was unfamiliar ([Fig. 3a, b]). In contrast to the abdominal 3 D probe that acquired a pyramid-shaped volume with motor-controlled mechanical fan-shaped sweep of the scanning plane, a rotation method was selected for the volume acquisition with the 3 D vaginal probe for reasons of space. However, this had the disadvantage of central overlapping of all sectional planes resulting in limited image quality at the center ([Fig. 3c, d]). This disadvantage could not be eliminated until it became possible to perform a motor-controlled mechanical fan-shaped sweep of the imaging plane for volume acquisition with the 3 D vaginal probe. The introduction of the so-called surface mode made it possible to visualize surface images of the fetus and embryo with an abdominal as well as a vaginal 3 D probe. Due to the substantial processing power that this required, it initially (1992) took 6 hours to create one surface image with an external computer. Today a surface rendering of one image takes between 20 and 50 milliseconds depending on the volume.

Parallel to this so-called internal or integrated system in which the complete 3 D unit is permanently integrated in the ultrasound unit and the 3 D probes are matched to the system ([Fig. 4]) [5], so-called external 3 D systems (e. g. TomTec, Echotech, InViVo-System), in which acquisitions can be performed using any conventional 2 D probe, were also developed [5]. An electromagnetic position sensor must simply be attached to the probe so that the transducer position and movements can be recorded on the basis of changes in the magnetic field ([Fig. 4]). After transfer of the individual 2 D images to a workstation, the images and their individual positions are assembled by a computer program to form a volume. The disadvantage of external systems is that the distances between the individual two-dimensional image planes are usually not identical due to the manual probe guidance, resulting in a lower volume quality, and that 4 D display is not possible [5].

Due to the initial problems with 3 D ultrasound, many experienced 2 D ultrasound operators were initially skeptical of this new technique. Therefore, 3 D ultrasound was viewed as a difficult, inconvenient, and unnecessary method. Typical questions that were repeatedly asked included [4]: Is 3 D ultrasound more useful in prenatal diagnosis? Does it improve diagnostic accuracy or is it only good for keepsake images? Can we detect more malformations? Is it useful in the daily routine or is it only time-consuming? This technique continues to be inexplicably disqualified by some examiners as baby television even though three-dimensional ultrasound has found broad use in obstetric diagnosis.

There is no doubt that 3 D ultrasound has become widely globally available since the first World Congress on 3 D Ultrasound on September 5 – 6, 1997 in Mainz, Germany ([Fig. 5]). Different technical developments, such as simplification of operation, faster image rendering due to greater computer processing power, and significant improvement in image quality, contributed to this. Every high-end ultrasound unit is currently equipped with such a technique. Moreover, an increasing number of publications regarding the use of 3 D ultrasound in prenatal diagnosis have appeared since 1997 [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30]. However, proper use of 3 D ultrasound entails a learning curve of several months. Technical know-how, spatial reasoning, and continuous training are helpful for those learning the technique. Finally it must be taken into consideration that every 3 D ultrasound is based on 2 D ultrasound [21] and that high quality 3 D surface images can thus only be achieved in the case of good 2 D image quality and if the fetus is surrounded by sufficient amniotic fluid and there are no obstructing structures [5].

A 3 D examination generally consists of four main steps: 1. volume acquisition, 2. 3 D visualization, 3: volume/image processing and 4. storing of volumes/images/sequences [5].

In contrast to 2 D ultrasound, 3 D ultrasound provides a number of imaging modes and image processing techniques ([Table 1]) that are used in prenatal diagnosis depending on the particular issue.

With triplanar imaging, all planes can be reconstructed and visualized from one volume and special planes can be controlled in a precise manner on the basis of the two other orthogonal imaging planes. An enormous improvement in image quality has been able to be achieved in the last 2 decades in particular with regard to surface images as well as transparent images ( [Fig. 6]). Moreover, 4 D ultrasound made it possible to display fetal movements in surface and transparent mode as in a video.

3 D/4 D technology has become a valuable supplementary method to conventional 2 D ultrasound in the diagnosis of malformations and can be used by skilled ultrasound operators to clarify suspicious findings in a targeted manner. As a result, the nuchal translucency and nasal bone can be precisely measured in the first trimester. Complex organs, such as the fetal heart [8] [10] [18] [22] [24] and the fetal brain [7] [19] [23] [25] [26], can be precisely examined tomographically in the second and third trimesters. Heart defects as well as vascular anomalies can be visualized three-dimensionally using color Doppler [18] [27] [28]. 3 D neurosonography is playing an increasingly important role in the detection or exclusion of brain malformations since all planes can be precisely set and an exact comparison between the left and right brain hemispheres is also possible. In the surface mode surface defects of the fetal head (cleft lip and palate/encephalocele) or in other body regions (spina bifida, defects of the abdominal wall or extremities) can be precisely detected [6] [9] [12] [21]. Moreover, skeletal changes or ossification defects can be clearly detected with the X-ray-like imaging of the fetal skeleton in the transparent mode [12] [13]. The detection of subtle changes in fetuses opens up completely new possibilities in the diagnosis of chromosomal disorders [13] and syndromes some of which can only be detected on the basis of discrete sonoanatomical changes.

Particularly in the case of the exclusion of fetal malformations, such as facial defects, 4 D surface imaging is an ideal method to reassure parents-to-be since they can personally see fetal movements as well as the normal finding on the monitor [4]. Seeing surface images of the fetal face is certainly one of the most impressive moments of the ultrasound examination for parents-to-be. However, providing parents with nice pictures of their unborn child is not the main goal of the examination but rather a byproduct [31].

A further significant advantage of 3 D ultrasound for the examiner is that three-dimensional structures are not only shown three dimensionally but can also be digitally stored without loss in the form of 3 D images, volumes, or 3 D sequences [16]. The digital storage of volumes permits virtual examinations, i. e., volumes can be reloaded at any time and examined in the absence of the patient [16] [21]. With the help of a special computer program, all stored volumes can also be loaded onto a PC or Notebook and can thus be examined independently of the ultrasound unit. From an educational standpoint, the digital storing and rendering of volumetric data represents a new approach in medical education. Reviewing copies of a stored volume allows several trainees to be taught at the same time to recognize the fetal anatomy hidden within the volume [4] [16].

25 years after the introduction of three-dimensional ultrasound in clinical diagnostics, 3 D/4 D ultrasound provides such a broad diagnostic spectrum in the daily routine that it has become a fixture in targeted prenatal diagnosis as well as in the clarification of gynecological findings [21] [32] [33] [34] [35], pelvic floor defects [36], and in breast diagnostics [37]. The same is also true for various other areas of specialization [38] [39] [40].

The recently introduced ultrasound device E10 from GE, which uses a fully electronic abdominal probe (matrix probe) and the HDlive Silhouette visualization mode to provide even more impressive ultrasound images of embryonic/fetal development than previously possible, shows that the field of 3 D/4 D ultrasound is continuing to advance. Further developments in the field of computer technology will certainly help to ensure future innovations on the part of ultrasound device manufacturers.

25 Jahre 3D-Sonografie in der pränatalen Diagnostik stellen einen bedeutenden Meilenstein in der neueren Ultraschallhistorie dar. Dabei war die Anfangsphase der 3D-Sonografie alles andere als einfach. Obwohl über erste experimentelle In-vitro-Ultraschalluntersuchungen bereits zu Beginn der 70er- und 80er-Jahre berichtet wurde [1] [2], begann der klinische Einsatz erst mit der Produktion des ersten kommerziellen 3D-Ultraschallgerätes (Combison 330, Kretztechnik Zipf, Österreich), das 1989 auf den Markt kam ([Abb. 1]) [3] [4]. Mit diesem Gerät war es erstmals möglich, sog. multiplare (= triplanare) Bilder zu erzeugen. Das bedeutet, dass man die drei senkrecht aufeinanderstehenden zweidimensionalen Bildebenen gleichzeitig auf dem Monitor darstellen konnte ([Abb. 2]). Ungewohnt war bei der Volumenaufnahme der relativ große abdominale 3D-Schallkopf, der – im Gegensatz zum 2D-Schallkopf – quer gehalten werden musste, um ein Volumen im Längsschnitt aufzunehmen ([Abb. 3a, b]). Im Gegensatz zum abdominalen 3D-Schallkopf, der mit einem motorgesteuerten fächerförmigen mechanischen Schwenk der Schallebene ein pyramidenähnliches Volumen aufnahm, wurde bei der 3D-Vaginalsonde für die Volumenaufnahme aus Raumgründen ein Rotationsverfahren gewählt, das jedoch den Nachteil hatte, dass sich alle Schnittebenen im Zentrum überlagerten und es somit zentral zu einer Einschränkung der Bildqualität kam ([Abb. 3c, d]). Erst nachdem auch bei der 3D-Vaginalsonde ein motorgesteuerter mechanischer fächerförmiger Schwenk der Bildebene für die Volumenaufnahme technisch realisiert werden konnte, ließ sich dieser Nachteil beheben. Mit der Einführung des sog. Oberflächenmodus gelang es dann, sowohl mit der abdominalen als auch mit der vaginalen 3D-Sonde Oberflächenbilder des Feten und des Embryos darzustellen. Aufgrund der enormen Rechenleistung, die hierzu notwendig war, ergab sich das Problem, dass man anfänglich (1992) 6 Stunden warten musste, bis ein Oberflächenbild mit einem externen Computer berechnet war. Heute dauert das Oberflächenrendering eines Bildes je nach Volumen zwischen 20 und 50 Millisekunden.

Parallel zu diesem sog. internen oder integrierten System, bei dem die gesamte 3D-Einheit fest im Ultraschallgerät integriert ist und die 3D-Schallköpfe auf das System abgestimmt sind ([Abb. 4]) [5], kam es auch zur Entwicklung von sog. externen 3D-Systemen, (z. B. TomTec, Echotech, InViVo-System), bei denen die Aufnahme mit jeder konventionellen 2D-Schallsonde erfolgen kann [5]. Hierzu muss lediglich ein elektromagnetischer Positionsgeber an der Schallsonde fixiert werden, wodurch Schallkopfposition und -bewegungen über eine Magnetfeldänderung erfasst werden ([Abb. 4]). Nach Transfer der einzelnen 2D-Bilder zu einer Workstation werden diese mit ihrer jeweiligen Position mithilfe eines Computerprogramms zu einem Volumen zusammengesetzt. Nachteil der externen Systeme ist, dass die Abstände zwischen den einzelnen zweidimensionalen Bildebenen aufgrund der manuellen Schallkopfführung meist nicht identisch sind, wodurch eine schlechtere Volumenqualität resultiert, und dass eine 4D-Darstellung nicht möglich ist [5].

Aufgrund der anfänglichen Probleme bei der 3D-Sonografie waren viele erfahrene 2D-Ultraschalluntersucher zunächst skeptisch bezüglich dieser neuen Technik. So wurde die 3D-Sonografie als mühsames, umständliches und unnötiges Verfahren gewertet. Typische Fragen, die immer wieder aufkamen, waren [4]: Ist die 3D-Sonografie nützlicher für die pränatale Diagnostik? Verbessert sie die diagnostische Sicherheit oder ist sie nur gut, um hübsche Erinnerungsfotos für die Eltern zu produzieren? Kann man damit mehr Fehlbildungen entdecken? Ist es ein nützliches Routineverfahren oder ist es nur zeitaufwendig? Selbst heute noch, nachdem die dreidimensionale Sonografie in der Zwischenzeit einen breiten Einzug in die geburtshilfliche Diagnostik gefunden hat, wird diese Technik von einzelnen Untersuchern, die sich damit immer noch nicht anfreunden können, unverständlicherweise als Babyfernsehen disqualifiziert.

Unbestritten ist, dass seit dem ersten Weltkongress für 3D-Ultraschall, der vom 5.–6. September 1997 in Mainz, Deutschland, stattfand ([Abb. 5]), eine weltweite Verbreitung der 3D-Sonografie stattgefunden hat. Hierzu haben unterschiedliche technische Entwicklungen, wie Vereinfachung der Gerätebedienung, schnellere Bildberechnung aufgrund höherer Computerleistung und eine enorme Verbesserung der Bildqualität beigetragen. Heute ist jedes High-end-Ultraschallgerät mit einer solchen Technik ausgerüstet. Auch sind seit 1997 immer mehr Publikationen über den Einsatz der 3D-Sonografie in der pränatalen Diagnostik erschienen [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30]. Unbestritten ist aber auch, dass für den qualifizierten Einsatz der 3D-Sonografie eine Lernkurve von einigen Monaten eingeplant werden muss. Hilfreich für das Erlernen sind dabei technisches Verständnis, ein räumliches Vorstellungsvermögen und ein kontinuierliches Training. Letztlich muss berücksichtigt werden, dass jede 3D-Sonografie auf der 2D-Sonografie aufgebaut ist [21] und, dass somit gute 3D-Oberflächenbilder nur dann zu erzielen sind, wenn auch eine gute 2D-Bildqualität vorliegt und der Fetus von ausreichend viel Fruchtwasser umgeben ist und keine vorgelagerten Strukturen vorliegen [5].

Eine 3D-Untersuchung kann generell in 4 Hauptschritte untergliedert werden: 1. Volumenakquisition, 2. 3D-Visualisierung, 3. Volumen-/Bildbearbeitung und 4. Speicherung von Volumina/Bildern/Bildsequenzen [5].

Im Gegensatz zur 2D-Sonographie bietet die 3D-Sonographie heute eine Vielzahl von Darstellungsmodi und Bildbearbeitungstechniken ([Tab. 1]), die je nach Fragestellung bei der pränatalen Diagnostik zum Einsatz kommen.

So können mit der triplanaren Darstellung nicht nur sämtliche Ebenen aus einem Volumen rekonstruiert und dargestellt, sondern spezielle Ebenen auch durch die beiden anderen senkrecht dazu stehenden Bildebenen stets exakt kontrolliert werden. Insbesondere bei der Oberflächendarstellung, aber auch bei der Transparenzdarstellung konnte innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte eine enorme Verbesserung der Bildqualität erzielt werden (siehe Vergleich [Abb. 6]). Mit der 4D-Sonografie gelang es zudem, Bewegungen des Feten im Oberflächen- und Transparenzmodus wie in einem Video darzustellen.

In der Fehlbildungsdiagnostik hat sich die 3D-/4D-Technologie als wertvolles additives Verfahren zur konventionellen 2D-Sonografie entwickelt, mit dem der in der sonografischen Diagnostik Erfahrene verdächtige Befunde gezielter abklären kann. So lassen sich im ersten Trimenon Nackentransparenz und Nasenbein exakt einstellen. Im zweiten und dritten Trimenon können komplexe Organe, wie z. B. das fetale Herz [8] [10] [18] [22] [24] oder das fetale Gehirn [7] [19] [23] [25] [26], tomografisch exakt untersucht werden. Herzfehler wie auch Gefäßanomalien lassen sich unter Einbeziehung des Farbdopplers dreidimensional darstellen [18] [27] [28]. Beim Nachweis oder Ausschluss von Gehirnfehlbildungen nimmt die 3D-Neurosonografie einen immer breiteren Raum ein, da sich alle Ebenen perfekt einstellen lassen und auch ein exakter Vergleich zwischen linker und rechter Hirnhälfte möglich ist. Im Oberflächenmodus können Oberflächendefekte am fetalen Kopf (Lippen-Kiefer-Gaumen-Spalten/Enzephalozele) oder im Bereich anderer Körperregionen (Spina bifida, Bauchwand- oder Extremitätendefekte) exakt nachgewiesen werden [6] [9] [12] [21]. Weiterhin sind mit der röntgenähnlichen Darstellung des fetalen Skeletts im Transparenzmodus Skelettveränderungen bzw. Störungen der Verknöcherung deutlich zu erkennen [12] [13]. Durch den Nachweis diskreter Veränderungen am Feten eröffnen sich auch völlig neue Aspekte in der Diagnostik von Chromosomenstörungen [13] oder Syndromen, die teilweise nur anhand von diskreten sonoanatomischen Veränderungen erkannt werden können.

Gerade wenn es um den Ausschluss einer fetalen Fehlbildung wie z. B. einer Gesichtsfehlbildung geht, zeigt sich die 4D-Oberflächendarstellung als ideale Methode zur Beruhigung der werdenden Eltern, da diese damit nicht nur die Bewegungen des Feten, sondern auch den Normalbefund auf dem Monitor selbst erkennen können [4]. Für die werdenden Eltern gehört die Oberflächendarstellung des fetalen Gesichts sicherlich zum beeindruckendsten Moment während der Ultraschalluntersuchung. Schöne Bilder des Ungeborenen für die Eltern stellen jedoch nicht das Hauptziel der Untersuchung dar, sondern sind als Nebenprodukt einer solchen anzusehen [31].

Ein für den Untersucher weiterer großer Vorteil der 3D-Sonografie ist, dass dreidimensionale Strukturen nicht nur dreidimensional dargestellt, sondern auch in Form von 3D-Bildern, Volumina oder 3D-Sequenzen verlustfrei digital gespeichert werden können [16]. Anhand der gespeicherten Volumina können dann jederzeit Ultraschalluntersuchungen vorgenommen werden, ohne dass die Patientin selbst anwesend sein muss (sog. „virtuelle Ultraschalluntersuchungen“) [16] [21]. Mithilfe eines speziellen Computerprogrammes lassen sich alle gespeicherten Volumina auch am PC oder Notebook laden und können damit unabhängig von einem Ultraschallgerät durchmustert werden. Durch Vervielfältigung von interessanten Volumina können diese auch zu Lehrzwecken herangezogen werden. Mehrere Untersucher haben somit die Möglichkeit, das selbe Volumen gleichzeitig zu untersuchen und können die fetalen Strukturen, die im Volumen enthalten sind, herausfinden [4] [16].

25 Jahre nach Einführung des dreidimensionalen Ultraschalls in die klinische Diagnostik bietet die 3 D/4D-Sonografie in der täglichen Routine ein so breites diagnostisches Spektrum, dass sie nicht nur in der gezielten pränatalen Diagnostik, sondern auch bei der Abklärung von gynäkologischen Befunden [21] [32] [33] [34] [35], Beckenbodendefekten [36] oder im Bereich der Mammadiagnostik [37] nicht mehr wegzudenken ist. Gleiches gilt auch für verschiedene andere Fachgebiete [38] [39] [40].

Dass die Entwicklung auf dem Gebiet der 3 D/4D-Sonografie nicht stehen bleibt, hat das gerade auf den Markt gekommene Ultraschallgerät E10 der Firma GE gezeigt, das mit einem vollelektronischen abdominalen Schallkopf (Matrixschallkopf) und dem Visualisierungsmodus HDlive-Silhouette teilweise noch beeindruckendere Ultraschallbilder von der embryonalen/fetalen Entwicklung liefert, als dies bislang möglich war. Weitere Fortschritte auf dem Gebiet der Computertechnologie werden sicherlich wieder dazu beitragen, dass der Entwicklungsmotor der Ultraschallgerätehersteller auch in Zukunft weiterläuft.