Manipulation von Ultraschall mit optoakustischer Holographie

Wir schlagen die Entwicklung einer neuartigen Methode zur laserinduzierten Erzeugung und holografischen Kontrolle von Ultraschall vor, die interessante Anwendungen in der medizinischen Diagnostik und Therapie, sowie in der industriellen Technik haben könnte. Die Schallwellen werden hierbei direkt an der Oberfläche (oder sogar innerhalb) des sonografisch zu untersuchenden Objekts erzeugt. Dies wird mittels des optoakustischen Effekts erreicht, indem eine absorbierende Schicht auf (oder unterhalb) der Oberfläche des Objekts mit intensitätsmoduliertem oder gepulstem Laserlicht bestrahlt wird. Die Lichtabsorption führt zu einer akustischen Welle, deren Frequenz bzw. Pulslänge durch die Frequenz der Lichtmodulation, bzw. die Dauer des Lichtpulses, vorbestimmt ist, und die sich anschließend im Inneren des untersuchten Objekts ausbreitet. Das Besondere an unserer Methode ist, daß die absorbierende Oberfläche nicht einfach mit einer ebenen Lichtwelle beleuchtet wird, sondern mit einem computererzeugten Muster, das auf einem hochauflösenden, transparenten Flüssigkristallschirm angezeigt und mit einem aufgeweiteten Laserstrahl auf die Oberfläche projeziert wird. Dieses Muster wird gemäß den Methoden der computergenerierten diffraktiven Optik so berechnet, daß das erzeugte Ultraschallfeld ein akustisches Hologramm innerhalb des Mediums bildet, d.h. ein vorbestimmtes 3-dimensionales akustisches Feld. Beispielsweise würde die Projektion eines bestimmten Systems konzentrischer Lichtkreise eine Schallwelle erzeugen, die sich an vorausberechneter Stelle innerhalb des Mediums fokussiert, gemäß dem Prinzip einer optischen Fresnel-Linse, das hier auf den Fall akustischer Wellen angewendet wird. Mittels aufwendigerer computergenerierter Muster lassen sich auch beliebige Ultraschallfelder, wie Linien, Oberflächen oder Punktegitter an vorbestimmten Positionen innerhalb des untersuchten Objekts erzeugen. Eine zeitabhängige Veränderung des erzeugten Ultraschallfeldes, wie z.B. 3-dimensionales Scannen eines fokussierten Schallstrahles, kann in "Echtzeit" (d.h. mit der Video-Erneuerungsrate des verwendeten LCD-Projektionssystems) erfolgen, indem das auf dem Flüssigkristallschirm angezeigte Muster kontinuierlich verändert wird. Weiterhin läßt sich auch die Frequenz des erzeugten Ultraschallfeldes beliebig einstellen, oder zwischen kontinuierlicher und gepulster Schallerzeugung umschalten, indem der Laserstrahl mit optischen Standardmethoden (elektro-optische und akusto-optische Modulatoren) vor dem Eintritt in das Projektionssystem moduliert wird. Im Falle gepulster Schallanregung können die Prinzipien sogenannter phasengesteuerter Sender ("phased arrays") direkt übernommen und mit der holographischen Methode kombiniert werden, um die erzeugten Schallpulse zu steuern. Insgesamt läßt sich also uneingeschränkte Kontrolle über alle Eigenschaften eines erzeugten Schallfeldes mit rein optischen Mitteln erreichen, insbesondere ohne mechanische Komponenten und ohne direkten Kontakt zum untersuchten Objekt. Dier ermöglicht beispielsweise Ultraschalluntersuchungen aus einiger Entfernung, oder sogar durch eine optisch transparente Abschirmung hindurch, was in einigen Fällen (wie infektiöse oder gefährliche Substanzen) von Vorteil ist. Ein solches System könnte ein erster Schritt zu einer rein optischen Ultraschalldiagnostik in medizinischen Anwendungen sein, wobei beispielsweise der diagnostische Ultraschall durch Projektion computerberechneter Lichtmuster auf die Haut des Patienten (bzw. auf ein darauf aufgetragenes absorbierendes Gel) erzeugt und gesteuert wird. Möglicherweise läßt sich in einer zukünftigen Weiterentwicklung auch die Detektion des aus dem Inneren zurückgestreuten Schalls optisch (mit den Mitteln der Laserinterferometrie) bewerkstelligen, so daß eine komplette sonographische Diagnostik ausschließlich mit optischen Methoden durchgeführt werden könnte.