Ring-Array für Photoakustik- und Ultraschall-Bildgebung

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 und Streuung der Ultraschallwelle an Strukturen mit unterschiedlicher akustischer Impedanz. Die zweite Methode wird photoakustische (oder optoakustische) 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, das zwei exakt überlappende Bilder vom selben Objekt erzeugt, wobei das eine den akustischen Kontrast und das andere den optischen Kontrast wiedergibt. Das wird erreicht durch die Konstruktion eines Signalgebers, der entweder durch Absorption eines Laserpulses in einem geeigneten Absorber eine Ultraschallwelle erzeugt, oder zur Erzeugung der Schallwelle im Objekt den Lichtpuls durchlässt. In beiden Fällen wird die Ultraschallwelle mit einem breitbandigen akustischen Sensor gemessen. Sowohl der Absorber als auch der Detektor nutzen das Prinzip von beugungsfreien Strahlen ("Bessel" Strahlen) um für einen großen Tiefenbereich eine konstant gute Auflösung zu erzielen. Dabei besitzt der Absorber eine Kegelform ("Axicon") und der Detektor besteht aus einer Anordnung mehrerer konzentrischer Ringe. Die Strategie zur Erreichung des Projektzieles besteht aus folgenden Schritten: Herstellung einer Anordnung ("Array") mehrere konzentrischer piezoelektrischer oder optischer (gebogene Fasern) Ringdetektoren. Signalverarbeitung und Rekonstruktion aus Ultraschall- und photoakustischen Signalen die mit diesem Array gemessen werden. Konzeption, Aufbau und Charakterisierung der Abbildungseinheit mit Array Detektor, optischen Absorber in Kegelform ("Axicon") für die Erzeugung des Laser-Ultraschalls, Beleuchtungs-Optik für den Absorber und die Probe, sowie die computergesteuerte Scan-Einheit. Test dieser Abbildungseinheit an Phantomen und an biologischem Gewebe. Die Möglichkeit der Abbildung eines großen Tiefenbereiches mit konstanter lateraler Auflösung ist für verschiedene medizinische Anwendungen sehr erfolgversprechend, beispielsweise für die Visualisierung von Gewebestrukturen wie Lymphknoten, die bei der Diagnose der Ausbreitung von bösartigen Tumoren eine wichtige Rolle spielen.

Die Absorption eines kurzen Laserpulses in einem Material erzeugt breitbandige Ultraschallwellen, die sich für hochauflösende 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.Das allgemeine Ziel des Projektes war es, ein bildgebendes Verfahren zur simultanen Ultraschallbildgebung und photoakustische Bildgebung zu entwickeln, wobei spezielle Detektoren - bestehend aus konzentrischen Ringen - zum Einsatz kommen. Die Anwendbarkeit dieses Gerätes für die Bildgebung mit großer Tiefenschärfe sollte gezeigt werden. Dazu wurden folgenden Schritte durchgeführt:Herstellung einer ringförmigen Detektormatrix bestehend aus zu Ringen gebogenen faseroptischen Interferometern.Herstellung einer ringförmigen Detektormatrix bestehend aus piezoelektrischen Ringen.Entwicklung von Methoden zur Signalverarbeitung und von Methoden zur Reduzierung von Artefakten, wie Fokussierung mittels synthetischer Apertur oder von Entfaltungsmethoden. Herstellung und Test eines Ultraschallmikroskops basierend auf den in den früheren Schritten entwickelten Detektor-, Schallerzeugungs- und Signalverarbeitungsmethoden.Mit ca. 18 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 mit einer Firmenbeteiligung (Radiologe) von 10% am Projektbudget derzeit als Bridge-Projekt, Kategorie Frühphase, bei der FFG (Österreichische Forschungsgesellschaft) eingereicht wird.