Akustische Mikroskopie mit optischer Anregung und Detektion

Die Absorption eines kurzen Laserpulses in einem Material erzeugt breitbandige Ultraschallwellen, die sich für hoch auflösende Bildgebung eignen. Zwei Arten von Bildgebung werden unterschieden, abhängig davon ob die Ultraschallwelle an der Oberfläche des Objektes oder in seinem Inneren erzeugt wird. Die erstere Methode wird auch als Laser Ultraschall-Methode bezeichnet. Bilder entstehen durch Reflexion der Ultraschallwelle an Strukturgrenzen mit unterschiedlicher akustischer Impedanz. Die zweite Methode wird photoakustische (optoakustische, thermoakustische) Bildgebung genannt und baut auf optischem Kontrast auf, da der erzeugte Druck proportional zur optischen Absorption ist. Die Bildinformation der beiden Methoden ist in vielen Fällen komplementär. Das generelle Ziel des beantragten Projektes ist daher die Kombination beider Methoden in einem einzigen Gerät. Idealerweise erzeugt das hier beschriebene akustische Mikroskop (SAM, von scanning acoustic microscope) zwei exakt überlappende Bilder vom selben Objekt, wobei das eine den akustischen Kontrast und das andere den optischen Kontrast wiedergibt. Das wird erreicht durch die Konstruktion eines Signalgebers, der entweder eine Ultraschallwelle erzeugt durch Absorption eines Laserpulses in einem geeigneten Absorber, oder den Lichtpuls durchlässt zur Erzeugung der Schallwelle im Objekt. In beiden Fällen wird die Ultraschallwelle mit einem breitbandigen akustischen Sensor gemessen. Sowohl der Absorber als auch der Detektor sind nach dem Prinzip der Erzeugung von beugungsfreien Strahlen hergestellt. Ersterer durch eine Kegelform und letzterer durch Biegen eines optischen Faserdetektors in eine Ringform. Die Strategie zur Erreichung des Projektzieles besteht aus folgenden Schritten: Herstellung eines ringförmigen Detektors unter Verwendung eines zu einem Kreis gebogenen faseroptischen Interferometers. Herstellung eines absorbierenden Körpers, der für die laserinduzierte Erzeugung eines beugungsfreien Ultraschallstrahles optimiert ist. Entwicklung von Methoden zur Signalverarbeitung, wie einer Kompensation der frequenzabhängigen Schallabschwächung und von Methoden zur Reduzierung von Artefakten, wie einer Fokussierung mittels synthetischer Apertur oder einer Entfaltungsmethode. Herstellung und Test eines Ultraschallmikroskops basierend auf den in den früheren Schritten entwickelten Detektor-, Schallerzeugungs- und Signalverarbeitungsmethoden. Das Projekt steht auf einer breiten Basis früher geleisteter Grundlagenforschung der Antragsteller auf den Gebieten der photoakustischen Tomographie, der Materialcharakterisierung mittels Laser-Ultraschall, sowie der Simulation und hoch aufgelösten Messung von laserinduzierten Ultraschallfeldern. Es wird erwartet, dass das in diesem Projekt entwickelte Mikroskop Anwendungen in medizinischer Diagnostik, in der präklinischen und biologischen Forschung und in den Materialwissenschaften finden wird.

Die Absorption eines kurzen Laserpulses in einem Material erzeugt breitbandige Ultraschallwellen, die sich für hoch auflösende Bildgebung eignen. Zwei Arten von Bildgebung werden unterschieden, abhängig davon ob die Ultraschallwelle an der Oberfläche des Objektes oder in seinem Inneren erzeugt wird. Die erstere Methode wird auch als Laser Ultraschall-Methode bezeichnet. Bilder entstehen durch Reflexion der Ultraschallwelle an Strukturgrenzen mit unterschiedlicher akustischer Impedanz. Die zweite Methode wird photoakustische (optoakustische, thermoakustische) Bildgebung genannt und baut auf optischem Kontrast auf, da der erzeugte Druck proportional zur optischen Absorption ist. Die Bildinformation der beiden Methoden ist in vielen Fällen komplementär. Das generelle Ziel dieses Projektes war daher die Kombination beider Methoden in einem einzigen Gerät. Dazu wurden folgenden Schritte durchgeführt: Herstellung eines ringförmigen Detektors unter Verwendung eines zu einem Kreis gebogenen faseroptischen Interferometers. Herstellung eines absorbierenden Körpers, der für die laserinduzierte Erzeugung eines beugungsfreien Ultraschallstrahles optimiert ist. Entwicklung von Methoden zur Signalverarbeitung, wie einer Kompensation der frequenzabhängigen Schallabschwächung und von Methoden zur Reduzierung von Artefakten, wie einer Fokussierung mittels synthetischer Apertur oder einer Entfaltungsmethode. Herstellung und Test eines Ultraschallmikroskops basierend auf den in den früheren Schritten entwickelten Detektor-, Schallerzeugungs- und Signalverarbeitungsmethoden. Mit ca. 15 wissenschaftlichen Publikationen war dieses Projekt wissenschaftlich sehr erfolgreich und die gute Zusammenarbeit der Projektpartner aus Linz und Graz war die Basis für ein Folgeprojekt, das schon gestartet werden konnte und vom FWF gefördert wird.