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Ultraschall

Arbeitsgruppe 1.62

Metrologie hochintensiver Ultraschallfelder für die Therapie (HITU)

Die Abkürzung HITU steht für ‚High Intensity Therapeutic Ultrasound'. Verbreitet sind auch die Bezeichnungen HIFU (‚High Intensity Focused Ultrasound'), FUS (‚Focused Ultrasound Surgery') oder ‚Ultrasound ablation'. Das Prinzip der Therapie mit hochintensivem Ultraschall besteht darin, dass mit Hilfe spezieller Wandler ein stark fokussiertes Ultraschallfeld erzeugt wird und der Fokusbereich exakt auf die zu therapierende Region im Körperinneren ausgerichtet wird. In diesem räumlich eng begrenzten Volumen können innerhalb weniger Sekunden Temperaturen von über 65 °C erreicht werden, die zur Zerstörung (Nekrotisierung) des Gewebes führen.

Der nekrotisierte Gewebebereich grenzt sich scharf vom umgebenden, intakten Gewebe ab und entspricht weitgehend der Größe der Fokusregion in Form eines Ellipsoiden mit einer Länge von ca. 1 cm und einem Durchmesser von 1 bis 2 mm. In der Regel überschreitet der zu behandelnde Gewebebereich die Größe der Fokusregion, so dass zur vollständigen Behandlung der HITU-Wandler schrittweise verschoben wird (siehe Abbildung).

Dieses Therapieverfahren wird heute bereits zur Behandlung von Tumoren der Prostata, der Leber und des Uterus eingesetzt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie z. B. Mammakarzinome und Hirntumore, werden erforscht. Grundsätzlich gilt für alle HITU-Anwendungen, dass eine genaue Planung der Therapie erforderlich ist und deren Verlauf überwacht werden muss - da lokale Intensitäten von weit über 2000 W/cm² erreicht werden können, die deutlich über den Intensitäten im diagnostischen Ultraschall liegen. Voraussetzung für die Therapieplanung und das Monitoring ist die zuverlässige Messung der akustischen Ausgangsleistung und der Schallfeldverteilung der HITU-Wandler.

Obwohl sich HITU bereits in der klinischen Anwendung befindet, ist die Anwendbarkeit der vorhandenen Messtechnik unter den Bedingungen hochintensiver Ultraschallfelder noch nicht vollständig geklärt. Das betrifft insbesondere die Widerstandsfähigkeit der Messgeräte und die erreichbaren Messunsicherheiten. In der Arbeitsgruppe 1.62 werden daher Verfahren zur Metrologie hochintensiver Ultraschallfelder entwickelt. Ausgangspunkt ist die Erweiterung des Messbereichs vorhandener Verfahren wie die Leistungsmessung mit der Schallstrahlungskraftwaage, die Messung der Schalldruckverteilung mit Hydrophonen und faseroptischen Sensoren sowie die ortsaufgelöste Messung der Intensität mit thermoakustischen Sensoren.

Die Forschung des Fachbereiches auf diesem Gebiet ist angebunden an das EURAMET-‚Joint Research Project' mit dem Titel 'External Beam Cancer Therapy' (EBCT), welches von der Europäischen Kommission im Rahmen des iMERA-Programmes unterstützt wird.

Die Ziele dieses Forschungsprojektes umfassen die Messung der akustischen Ausgangsleistung im Frequenzbereich von 1,5 MHz bis 3,0 MHz bis zu akustischen Leistungen von 500 W mit einer Unsicherheit von ± 5 %. Geplant ist ein Ringvergleich mit europäischen Partnerinstituten zur Leistungsmessung bis 150 W. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von Phantomen zur Messung der Temperaturverteilung unter Bedingungen äquivalent zum klinischen Einsatz, die wiederum Grundlage für die Entwicklung und Verbesserung von Modellen der Schall- und Wärmeausbreitung in gewebeähnlichen Materialen sind.

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