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Charakterisierung hochintensiver fokussierter Ultraschallfelder (HIFU) mit breitbandigen Membranhydrophonen und numerischer Modellierung

01.03.2012

Die numerische Simulation einer nichtlinearen parabolischen Gleichung (KZK-Gleichung) kann vorteilhaft zur Bestimmung von extrem hohen Schalldruckamplituden moderner therapeutischer Ultraschallgeräte eingesetzt werden und ergänzt die experimentelle Hydrophonmesstechnik.

Die Charakterisierung der Schallabgabe medizinischer Ultraschallgeräte ist wichtig im Hinblick auf Aspekte der Qualitätssicherung und der Patientensicherheit. Die Messungen werden in der Regel im Wasser mithilfe von Hydrophonen durchgeführt, um lokale Schallwechseldruck- und Intensitätsparameter zu bestimmen. Hydrophonmessungen sind aber besonders schwierig im Falle von HIFU-Feldern, die z. B. zur Tumorablation eingesetzt werden. Bei den hohen Intensitätspegeln führen die kombinierten Effekte von Nichtlinearität und Beugung zur Generierung von höheren Harmonischen im Wellenspektrum und zur Bildung von asymmetrisch verzerrten Wellenformen mit steilen Schockfronten. Die direkte Messung solcher Wellen sehr großer Amplitude erfordert daher ein Hydrophon, das robust gegenüber mechanischen Beschädigungen ist, eine große Bandbreite hat, um die scharfen Schockfronten zu erfassen, und einen kleinen Durchmesser besitzt, um die schmalen fokalen Schallbündelprofile genau zu beschreiben. Als Alternative zur Hydrophonmesstechnik kann eine numerische Modellierung verwendet werden, um das Ultraschallfeld von medizinischen Geräten vorherzusagen.

Die Messmöglichkeiten von HIFU-Feldern mit besonders breitbandigen in der PTB entwickelten Membranhydrophonen wurden nun demonstriert. Wellenformen bei den Arbeitsfrequenzen 1,06 MHz und 3,32 MHz wurden gemessen. Die maximal detektierten negativen und positiven Spitzenschalldrücke betrugen p- = 13 MPa bzw. p+ = 56 MPa. Zum Vergleich wurde die nichtlineare Modellierung der HIFU-Felder im Wasser auf der Basis der nichtlinearen parabolischen Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK) Gleichung durchgeführt. Diese wurde unter den Randbedingungen an der Quelle für ein fokussiertes Bündel mit anfänglich harmonischen Wellen und uniformer Schalldruckverteilung numerisch gelöst. Die Ergebnisse der nichtlinearen Schallfeldmodellierung und die experimentellen Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung (siehe Bild 1). Die durchgeführte numerische Modellierung hat sich als eine effektive Methode für die Charakterisierung von HIFU-Wandlern bewährt. Die Experimente zeigen sowohl die vorteilhafte Anwendbarkeit der Hydrophone für die HIFU-Feldcharakterisierung als auch die bisherigen technischen Grenzen dabei [1].

 

Bild 1: a) Vergleich der im Fokus gemessenen Spitzenschalldrücke pFokus  (blaue Punkte) in Abhängigkeit vom Anfangswert am Wandler p0 mit Simulationsergebnissen (rote Linie). b) Modellierte (rote Linie) und gemessene (blaue Linie) Wellenform im Fokus für den Schalldruck am Wandler p0 = 0,48 MPa.

Literatur:

[1] Bessonova, O., Wilkens, V.: Numerical Modeling As An Effective Method For The Characterization Of High Intensity Focused Ultrasound Devices, submitted to J. Acoust. Soc. Am.

Ansprechpartner:

Olga Bessonova, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: Olga.Bessonova@ptb.de