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Erfolgreicher Abschluss einer europäischen Zusammenarbeit über hochintensiven therapeutischen Ultraschall (HITU)

19.03.2012

Hochintensiver therapeutischer Ultraschall (HITU) ist ein nichtinvasives und nicht-ionisierendes Therapie-Verfahren, bei dem durch starke Fokussierung eines Ultraschallfeldes lokal  begrenzt sehr hohe Ultraschallintensitäten (> 10 kW/cm²) im Körper erzeugt werden können. Diese hohen Intensitäten bewirken dann zum Beispiel eine Nekrotisierung und damit Zerstörung von Tumorgewebe. Obwohl die Zahl der Anwendungen stetig steigt, existieren kaum verlässliche Messmethoden für die Charakterisierung oder Bewertung von HITU-Geräten.

In einem Teilbereich des iMERA+-Projektes "External Beam Cancer Therapy" wurden daher in einer Zusammenarbeit zwischen vier nationalen Metrologie-Instituten (PTB, Deutschland; NPL, England; INRIM, Italien; UME, Türkei) verbesserte Messmethoden für hochintensive Ultraschallfelder entwickelt.

Zunächst wurden in den Laboratorien Messmethoden zur Bestimmung der akustischen Ausgangsleistung bis zu einigen hundert Watt aufgebaut und anschließend in einem Ringvergleich erfolgreich validiert (Bild 1, oben links und rechts). In einem weiteren Schwerpunkt des Projektes wurden Sensoren zur Schallfeldmessung entwickelt bzw. bereits existierende Sensorenprinizipien an die  besonderen Anforderungen angepasst. Ein am NPL entwickeltes speziell beschichtetes Membranhydrophon konnte erfolgreich zur Messung von Spitzendrücken bis zu 30 MPa eingesetzt werden und ein an der PTB entwickelter faseroptischer Verschiebungssensor sogar bis zu über 50 MPa. Vergleichsmessungen dieser beiden Sensoren und eines weiteren kommerziell erhältlichen HITU-Nadelhydrophons zeigten allerdings, dass bezüglich der Haltbarkeit und der Genauigkeit der Sensoren weiterhin Verbesserungsbedarf besteht.

Ein dritter Teil des Projektes betraf die Temperaturmessung in HITU-Feldern, die für eine Therapiekontrolle notwendig sind. Messungen mit gängigen Verfahren (Magnetresonanzthermometrie, Dünnschicht-Thermoelemente, Infrarot-Kamera) zeigten deutliche Abweichungen untereinander. Daher wurde unter anderem ein spezielles MR-kompatibles Phantom entwickelt mit dessen Hilfe zuverlässig und definiert Temperaturverteilungen mit ähnlichen räumlichen Ausmaßen (ca. 2 mm Durchmesser) und Heizraten (ca. 10 K/s) wie in HITU-Feldern erzeugen werden können (Bild 1, unten links). Damit können Temperaturmessmethoden für HITU-Felder schnell und einfach kalibriert  bzw. die Unsicherheiten der Methoden ermittelt werden.

In einem weiteren Teil des Projektes wurden ein Phantom zur Ermittlung der Kavitationsschwelle in HITU-Feldern sowie ein Prototyp eines Sensors zur ortsaufgelösten Detektion von Kavitationsereignissen (Bild 1, unten rechts) entwickelt. Während ersteres bereits erfolgreich für Messungen eingesetzt wurde, sind für letzteres noch Optimierungen notwendig.

Bild 1: Links oben: Schallstrahlungskraftwaage in der PTB zur Messung der akustischen Ausgangsleistung bis zu 400 W (1: HITU-Wandler, 2: absorbierendes Target, 3: Waage). Rechts oben: Exemplarische Resultate der Messung des Spitzendruckes in einem HITU-Feld mit faseroptischen Sensor (rot), einem speziell beschichteten Membranhydrophon (blau), einem kommerziellen Nadelhydrophon (grün), sowie Ergebnisse einer numerischen Simulation (schwarz). Links unten: Prototyp eines MR-kompatiblen Phantoms zur Simulation einer Temperaturerhöhung, Foto überlagert mit der Farbdarstellung einer entsprechenden Temperaturmessung. Rechts unten: Prototyp eines Sensors zur ortsaufgelösten Detektion von Kavitationsereignissen.

Ansprechpartner:

Julian Haller, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: julian.haller@ptb.de