07.04.2010
Durch einen modifizierten Aufbau der Schallstrahlungskraftwaage, dem Primärnormal zur Darstellung der Einheit W im Ultraschall, konnte die Ausgangsleistung von HITU (‚High Intensity Therapeutic Ultrasound’) – Wandlern zuverlässig gemessen werden. Ein stark fokussierender Leistungswandler wurden dabei mit elektrischen Leistungen von bis zu 500 W beaufschlagt.
Innovative Ultraschalltherapieverfahren zur Zerstörung von Tumorgewebe oder anderen chirurgischen Maßnahmen finden zunehmend Verbreitung und sind zum Teil bereits in den Leistungskatalog der gesetzlichen Krankenversicherung aufgenommen worden, so z. B. für die Prostatakrebstherapie. Der Einsatz in der Neurologie (nichtinvasive Schlaganfallbehandlung, Tumortherapie) wird erforscht und befindet sich noch im experimentellen Stadium. In jedem Fall ist jetzt und in Zukunft - unter dem Aspekt der Patientensicherheit und Therapieplanung - die Messung der akustischen Parameter und die Charakterisierung der HITU-Felder dringend erforderlich. Aufgrund der vorherrschenden hohen Leistungsdichte und Spitzenschalldrücke im Schallfeld, kann dies zur Zeit mit den etablierten Messverfahren noch nicht vollständig geleistet werden.
Aus diesem Grund ist die Metrologie von HITU-Feldern auch Bestandteil des von der Europäische Union unterstützten Projekt (iMERA-plus Programm) zur Tumortherapie mit externen Strahlen, an dem neun europäische nationale metrologische Institute (NMI) beteiligt sind.
Mit Hilfe von gekrümmten Ultraschallwandlern werden, ähnlich wie bei einem Brennglas, die Ultraschallwellen so stark gebündelt, dass in der Fokuszone Intensitäten von bis zu 10 000 W/cm² auftreten können. Damit kann das Gewebe innerhalb des eng begrenzten Fokusbereiches in kurzer Zeit auf Temperaturen von über 85 °C aufgeheizt und nekrotisiert werden (Bild 1). Die im Gewebe erzeugten Läsionen haben die Form von Ellipsoiden mit Durchmessern von 1 bis 2 mm und Längen von 10 bis 20 mm.
Bild 1: Prinzip der nichtinvasiven Tumortherapie mit hochintensiven, fokussierten Ultraschallfeldern. Die Fokuszone des HITU-Wandlers wird - unterstützt durch bildgebende, diagnostische Verfahren (Ultraschall, MRT) - auf das zu behandelnde Gewebeareal ausgerichtet, anschließend die Therapie durchgeführt und der Behandlungserfolg überprüft. Bei größeren Tumoren erfolgt die Behandlung schrittweise durch Setzen von mehreren, sich überlappenden Läsionen.
In mehreren, unabhängigen Versuchsreihen wurde der Wirkungsgrad eines kommerziellen HITU-Wandlers im Leistungsbereich der elektrischen Anregung von 100 bis zu 500 W mit der Schallstrahlungskraftwaage und einem absorbierenden Target untersucht. Dazu wurde die mechanische Aufhängung des Targets an die zu erwartenden Kraftänderungen (ca. 0,25 N) angepasst und der zeitliche Ablauf der Ein-Aus-Zyklen in Bezug auf die unvermeidliche Targeterwärmung optimiert. Die Besonderheiten von Leistungsmessungen in diesem Bereich werden deutlich, wenn man bedenkt, dass beim Einschalten des Ultraschallwandlers das Target sichtbar nach oben springt und die Waage Masseänderungen im Grammbereich registriert, wohingegen bei der Messung diagnostischer Schallfelder Mikrogramm zu erfassen sind.
Im Ergebnis der Messungen konnte ein linearer Zusammenhang zwischen der eingespeisten elektrischen Leistung und der akustischen Ausgangsleistung für alle Leistungsstufen festgestellt werden (Bild 2). Die Unsicherheiten der Messungen lagen unter 5% (k = 2) und sind damit nur geringfügig höher im Vergleich zu den erreichbaren Messunsicherheiten bei der Leistungsmessung in diagnostischen Schallfeldern im Frequenzbereich von 1 bis 3 MHz. Insgesamt konnte bestätigt werden, dass eine zuverlässige Messung der akustischen Ausgangsleistung bis zu Leistungen von 500 W möglich ist.
Bild 2: Zeitlich gemittelte, gesamte akustische Ausgangsleistung eines HITU-Wandlers (Arbeitsfrequenz 1,5 MHz, Apertur 100 mm, Krümmungsradius 100 mm) in Abhängigkeit von der eingespeisten elektrischen Leistung. Das eingefügte Foto zeigt den Ultraschallwandler mit dem darüber befindlichen Target (Abstand 5 mm).
Ansprechpartner:
Klaus-Vitold Jenderka, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: klaus-vitold.jenderka@ptb.de