Hochauflösende thermoakustische Computertomografie

Thermoakustische Computertomografie (TACT) wird manchmal auch optoakustische oder photoakustische Tomografie genannt und ist eine neue Technologie zur Abbildung von halblichtdurchlässigen Strukturen, beispielsweise biologische Gewebe. Wenn eine halbdurchlässige Probe mit einem kurzen Puls elektromagnetischer Strahlung wie Licht oder Mikrowellen beleuchtet wird, entsteht durch die thermoelastische Ausdehnung in der Probe eine Schallwelle. Aus dem außerhalb der beleuchteten Probe gemessenen Schalldruck rekonstruiert TACT die lokale Verteilung der absorbierten Energie innerhalb der Probe. Diese Methode eignet sich hervorragend für weiche biologische Gewebe, da sich bestimmte Gewebetypen stark in ihrem optischen Absorptionsverhalten vom Hintergrund unterscheiden. Daher können sie mit hohem Kontrast abgebildet werden, was z. B. zu einer Unterscheidungsmöglichkeit von Krebsgewebe und gesundem Gewebe führt. Bei bestehenden TACT Methoden wurden die akustischen Signale mit kleinen Detektoren als Näherung für Messpunkte aufgenommen. Um die limitierte Auflösung durch die endliche Detektorgröße zu umgehen, schlagen wir einen neuen Meßaufbau mit integrierenden Detektoren vor, die größer sind als das abzubildende Objekt. In ein oder zwei Raumrichtungen ausgedehnte Linien- oder Flächendetektoren integrieren den Druck über ihre Oberfläche. Dies ermöglicht die Verwendung von numerisch effizienten und stabilen Algorithmen für TACT. Das Ziel dieses Projekts ist die hochauflösende dreidimensionale Abbildung von halbdurchlässigen Strukturen mit solchen integrierenden Detektoren. Eine vollständige Simulation dieser Abbildung mit verschieden geformten Detektoren, die um die Probe bewegt werden, bestätigt die theoretischen Grundlagen und hilft beim Design und der Optimierung von neuen Algorithmen für TACT. Weiters werden neue, speziell geformte Detektoren (piezoelektrische oder optische Sensoren) entwickelt und charakterisiert, da die hochauflösende Bildgebung Detektoren mit großer Bandbreite erfordert. Diese Detektoren bilden zusammen mit den entwickelten TACT - Algorithmen die Basis für einen experimentellen Versuchsaufbau zur dreidimensionalen Abbildung von kleinen Objekten, der in diesem Projekt entworfen, gebaut und charakterisiert wird. Schließlich wird dieser Aufbau getestet, indem Bilder von Phantomen und verschiedenen biologischen Proben aufgenommen werden.

Zur Abbildung des Inneren von optisch halbtransparenten Proben, wie z. B. biologisches Gewebe, wird die Probe mit einem kurzen Puls elektromagnetischer Strahlung wie Licht oder Mikrowellen beleuchtet. Die Strahlung wird in verschieden Regionen der Probe (z. B. Blutgefäße oder Fettgewebe) unterschiedlich stark absorbiert und die schwache aber sehr plötzliche Erwärmung der Probe ist der Auslöser für eine Schallwelle. Der von Detektoren an der Oberfläche der Probe gemessene Schalldruck kann zur Rekonstruktion der ursprünglichen Druckverteilung und damit der räumlichen Verteilung der unterschiedlichen Erwärmung in der Probe verwendet werden. Damit kann photoakustische Tomografie (PAT), die manchmal auch als optoakustische oder thermoakustische Tomografie bezeichnet wird, zur Abbildung des Inneren der Probe verwendet werden und kombiniert die Vorteil von optischen Methoden (guter Kontrast zwischen verschiedenen Gewebetypen, z. B. Tumor und gesundes Gewebe) und Ultraschall (hohe Ortsauflösung). Da die verwendeten Schall-Detektoren Signale von allen Teilen der Probe aufnehmen, sind tomografische Methoden zur Bildrekonstruktion notwendig. In diesem Projekt haben wir spezielle Detektoren verwendet, sogenannte "integrierende Detektoren", die größer sind als das abzubildende Objekt. Neben Flächendetektoren können auch integrierende Liniendetektoren verwendet werden, die optisch durch eine dünne optische Faser oder durch einen Lichtstrahl eines Lasers realisiert werden. Zur Rekonstruktion der ursprünglichen Druckverteilung und damit z. B. der unterschiedlichen Gewebetypen aus den mit diesen Detektoren gemessenen Drucksignalen wurden Rekonstruktions-Algorithmen entwickelt. Mit ca. 30 wissenschaftlichen Publikationen, 4 eingeladenen Vorträgen und mehr als 20 Vorträgen bei internationalen Konferenzen war dieses Projekt wissenschaftlich sehr erfolgreich und die gute Zusammenarbeit der Projektpartner aus Linz, Innsbruck, und Graz war die Basis für ein nationales Forschungsnetzwerk (NFN) "Photoakustik zur biomedizinischen Bildgebung". Dieses NFN wird von O. Scherzer koordiniert und konnte im April 2008 gestartet werden. Durch die Ergebnisse dieses Projekts wurden aber auch andere langfristige Forschungsprojekte wie beispielsweise ein "Christian Doppler Labor für Photoakustik und Laser-Ultraschall" oder ein "K-Projekt für zerstörungsfreie Prüfung und Tomografie" ermöglicht, wo PAT zur Materialcharakterisierung und für neue Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung verwendet wird.