05.11.2010
Mit einem kalibrierten faseroptischen Verschiebungssensor konnte erfolgreich die Partikelgeschwindigkeit in HITU-Feldern (HITU – High Intensity Therapeutic Ultrasound) gemessen werden. Die Sensoren sind äußerst widerstandsfähig gegen die starken Ultraschallfelder und erlauben Messungen der Partikelgeschwindigkeit mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.
Hochintensiver therapeutischer Ultraschall (HITU) ist ein Therapie-Verfahren, das wegen seiner hohen Erfolgsquote und kaum vorhandener Nebenwirkungen immer öfter eingesetzt wird. Dabei wird Ultraschall in ein sehr kleines elliptisches Volumen (Ø = 2 mm, l = 2 cm) fokussiert und dort z.B. Tumorgewebe durch Absorption des Ultraschalls erwärmt und dadurch nekrotisiert. Während die scharfe Fokussierung einerseits gerade die lokal sehr begrenzte Nekrotisierung ermöglicht, stellt sie andererseits die Messtechnik vor große Herausforderungen. So können im Fokus Drücke von p ˜ 50 MPa, Temperaturen von T ˜ 100 °C und Kavitationseffekte auftreten, denen herkömmliche Hydrophone im Allgemeinen nicht standhalten. Faseroptische (Druck-) Sensoren, bei denen der Schalldruck die Reflektivität an der Endfläche einer optischen Faser verändert und damit eine detektierbare Amplitudenmodulation eines Laserstrahls bewirkt, wurden bereits erfolgreich zur Messung des Drucks in HITU-Feldern eingesetzt. Die für die Therapieplanung relevante Größe, die Schallintensität I = p · v (v: Partikelgeschwindigkeit), wird bislang allgemein üblich als I = p2 / Z (Z: akustische Impedanz des Mediums) berechnet, wobei allerdings die uneingeschränkte Gültigkeit der Euler-Gleichung p = Z · v vorausgesetzt wird, die in vielen Situationen nicht gegeben ist. Ein Sensor, der die Partikelauslenkung ? bzw. deren zeitliche Ableitung, die Partikelgeschwindigkeit v, misst, ist daher eine sinnvolle Ergänzung zu den existierenden Drucksensoren.
Bild 1: Einige Ergebnisse aus Messungen mit dem faseroptischen Verschiebungssensor im Fokus eines HITU-Wandlers (Sonic Concepts H-108MRA) bei einer akustischen Leistung von Pak = 25 W. Links oben ist eine gemessene Wellenform eines HITU-Bursts (Grundfrequenz f0 = 2,45 MHz, Burstlänge 20 Schwingungen) aufgetragen – die typische Aufsteilung der Wellen durch Nichtlinearitäten ist deutlich erkennbar (links unten: vergrößerter Ausschnitt). Rechts sind die Spitzenwerte der Partikelgeschwindigkeiten über dem Abstand vom Fokus aufgetragen (unten: Messung entlang der Schallachse; oben: senkrecht zur Schallachse; volle Symbole: positive Spitzenwerte; leere Symbole: negative Spitzenwerte).
Im Rahmen des iMERA+-Projektes JRP7 wurde daher nun ein in der PTB entwickelter faseroptischer Verschiebungssensor modifiziert und erfolgreich zur Messung der Partikelgeschwindigkeit in HITU-Feldern eingesetzt. Der Sensor besteht aus einer titanbesputterten Faserendfläche, die der Partikelauslenkung folgt und dadurch eine Phasenmodulation eines an der Endfläche reflektierten Laserstrahls bewirkt, die dann in einem heterodynen Interferometer detektiert und in einem Diskriminator demoduliert wird. Um verlässliche breitbandige Messungen durchzuführen, wurde die komplexe Frequenzantwort Mv(f) = U(f) / v(f) des Sensors durch eine sekundäre Kalibration bestimmt.
Im Bild 1 sind exemplarisch einige Messergebnisse dargestellt. Die räumliche Auflösung (~ 125 µm, gegeben durch den Durchmesser der Faser), die zeitliche Auflösung bzw. die detektierbare Bandbreite (> 100 MHz), sowie die Widerstandsfähigkeit (überstandene Spitzendrücke: p+ ˜ 50 MPa, p- ˜ 13 MPa) weisen den Sensor dabei als gut geeignet für die Charakterisierung von HITU-Feldern aus.
Ansprechpartner:
Julian Haller, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: julian.haller@ptb.de