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Photoakustik

Ihr Ansprechpartner: Thomas Berer


Prinzip

Photoakustische Bildgebung ist ein nicht-invasives Verfahren, das strukturelle, funktionelle und molekulare Bildgebung ermöglicht. Die Methode beruht auf dem photoakustischen Effekt, der die Umwandlung von Licht in Schallwellen durch Absorption von elektromagnetischen Wellen beschreibt. Das Prinzip ist in Abbildung 1 dargestellt: elektromagnetische Pulse mit kurzer Pulsdauer, zumeist Laserpulse im Nanosekundenbereich, beleuchten eine Probe. Die lokale Absorption des Lichts führt zur schlagartigen lokalen Erwärmung und zu daraus resultierender thermischen Expansion. Dadurch werden schließlich breitbandige akustische Wellen erzeugt. Durch Messung der ausgehenden Ultraschallwellen mit entsprechenden Ultraschallwandlern außerhalb der Probe kann die ursprüngliche Verteilung der absorbierten Energie rekonstruiert werden. Photoakustische Bildgebung ist eine „hybride“ Technik welche optische Absorption und Ultraschallausbreitung verwendet. Dabei werden die Vorteile beider Techniken kombiniert: der hohe Kontrast der optischen Bildgebung und die hohe Auflösung von Ultraschall-Bildgebung.

Photoakustische Tomographie (PAT) und photoakustische Mikroskopie (PAM)

Es kann zwischen zwei grundsätzlichen Ausführungen unterscheiden werden: photoakustische Tomographie (PAT) und photoakustische Mikroskopie (PAM). Beide Ausführungen sind schematisch in Abbildung 2 dargestellt.

Bei PAT erfolgt die Beleuchtung einer halbtransparenten Probe mittels eines aufgeweiteten Laserstrahls. Dabei wird das gesamte Probenvolumen beleuchtet (Abb. 2 a). Die räumliche Variation der lokalen Absorption führt zur Erzeugung von Ultraschallwellen welche von einem Ultraschallwandler (2b) aufgezeichnet werden. Durch Verfahren des Wandlers um die Probe herum oder durch Verwendung eines Arrays mit einer Vielzahl an Wandlern wird ein Datensatz von Druckkurven erfasst. Mittels geeigneter Rekonstruktionsalgorithmen kann daraus die Absorptionseigenschaft (=Bildinformation) der Probe rekonstruiert werden. Die Auflösung von PAT wird durch die Dauer des Anregungslaserpulses und der Bandbreite der Ultraschallwandler bestimmt und liegt typischerweise unter 100 um.

Bei PAM (2c) wird der Laserstrahl in ein kleines Volumen fokussiert. Die Ultraschallwellen entstehen deshalb nur in diesem kleinen lokalisierten Volumen. Daher kann die axiale Auflösung so gut wie die optische Auflösung werden, d.h. unter 1µm. Die Tiefeninformation kann aus der Laufzeit der Schallwellen gewonnen werden. Für 3-dimensionale Bildgebung wird die Probe in zwei Dimensionen abgerastert. Zur schnellen Bildgebung werden Scan-Spiegel verwendet, um die Probe optisch abzuscannen.

Image PAT vs. PAM

Abbildung 2) Prinzip der photoakustischen Tomographie (a, b) und der photoakustischen Mikroskopie (c)

Photoakustische Bildgebung bei RECENDT

Wichtige Entwicklungen und Highlights der Forschung:

Integrierende Linien-Detektoren: In der Recendt wurden neuartige Ultraschall-Detektoren für die photoakustische Bildgebung entwickelt. Kernstück dieser so genannten "integrierenden Linien-Detektoren" (ILD) sind optische Glasfasern oder polymeroptische Lichtwellenleiter. Diese Fasern sind Teil von faseroptischen Interferometern und erlauben das Messen von Ultraschallwellen. Derzeit ist ein Array aus diesen ILD zur schnellen Bildgebung in Entwicklung.

Berührungslose photoakustische Bildgebung: Um die akustische Kopplung zwischen Probe und Ultraschallwandler zu gewährleisten wird die zu untersuchende Probe meist in ein Wasserbad eingetaucht. Alternativ können auch andere Koppelmittel verwendet werden. Dies ist unter Umständen eine Einschränkung für industrielle Anwendungen oder für medizinische Anwendungen bei denen die Verwendung von Koppelmittel verboten sind (z. B. bei der Untersuchung von offenen Wunden oder während einer Gehirnoperation). Daher wurde die berührungslose photoakustische Bildgebung entwickelt. Dabei werden optische Messmethoden verwendet, um Ultraschallwellen direkt an der Probenoberfläche ohne der Notwendigkeit von Kupplungsmitteln zu messen.

Photoakustische Femtosekunden Mikroskopie: Mit Hilfe eines Laser mit ultrakurzen Pulsen und hoher Wiederholrate kann ein schnelles Verfahren bei hoher Auflösung erreicht werden. Das Ziel des laufenden Projektes ist die photoakustische Echtzeit-Bildgebung bei hoher Auflösung (~ 1x1x1µm³). Das photoakustische Mikroskop wird zusätzlich mit einem Multi-Photonen-Mikroskop kombiniert, um multimodale Bildgebung zu ermöglichen.

Bildrekonstruktion und theoretische Arbeiten: Neben den experimentellen Arbeiten forscht die Gruppe an der Weiterentwicklung und Verbesserung von Bildrekonstruktionsalgorithmen. Diese Algorithmen ermöglichen z. B. die Rekonstruktion von akustisch heterogenen Proben (z. B. Kombination von Gewebe mit Knochen). Weitere Arbeiten befassen sich mit der Charakterisierung und der Kompensation von Ultraschalldämpfung. Dadurch kann eine bessere Bildqualität und eine höhere Auflösung erreicht werden. Theoretische Arbeiten befassen sich mit optimalen Detektor-Geometrien, wobei stochastische Prozesse in Betracht gezogen werden.


Weitere Informationen zur Technologie finden Sie in unserem Projektdatenblatt!





Anwendungsbeispiele:




Prüfung verborgener Klebeschichten

Oftmals sollten Klebeschichten auf Homogenität der Verklebung geprüft werden, die nach dem Fügen der Bauteile nicht mehr sichtbar und nicht mehr zugänglich sind. Die moderne Technik der Photoakustischen Bildgebung (PAI - Photo-Acoustic Imaging) kann für solche Fälle eine Lösung darstellen! Als Beispiel sehen Sie hier (b) Fehler in der Klebeschicht zwischen (a) einer undurchsichtigen Kunststoffplatte und einem Metallteil - und (c) die Darstellung dieser Klebefläche im PAI-Scan.

 

Photoakustische Spektroskopie

Spektroskopische Messungen an Festkörpern und Flüssigkeiten können  auch mittels berührungsloser photoakustischer Spektroskopie durchgeführt werden. Diese Technik ermöglicht besonders hohe Sensitivität in gewissen Anwendungsfällen, sowie die Möglichkeit von ortsaufgelösten Messungen. Sprechen Sie mit unseren Experten um die Möglichkeiten für Ihre Anwendungsfälle auszuloten!


 

Brustkrebs-Früherkennung

Die bei RECENDT intensiv beforschte Photoakustische Bildgebung stellt ein sehr gut geeignetes Werkzeug zur bildgebenden Diagnostik für die Brustkrebs-Früherkennung dar. Aufgrund der systembedingten Ausnutzung von sowohl optischen als auch akustischen Effekten, bietet diese Methode eine besonders gute Kombination von Diagnostischer Schärfe und Auflösung in der Abbildung. Photoakustisches Imaging eignet sich somit hervorragend als Alternative zur Mammographie - komplett ohne Strahlenbelastung für die Patientinnen.


 

Operationsbegleitende Bildgebung ohne Röntgenstrahlenbelastung

In manchen Situationen kann es für den operierenden Mediziner hochgradig hilfreich sein, ein kontinuierliches bildgebendes System zur Unterstützung z.B. während einer Gehirnoperation zu nutzen. Um in diesen Fällen die Röntgenstrahlenbelastung für Patienten und medizinisches Personal so gering wie möglich zu halten, kann auf berührungslose photoakustische Bildgebung zurückgegriffen werden, ein weiteres Forschungsgebiet der RECENDT. 

 

 


Ansprechpartner:

Berer Thomas, Dipl.-Ing. Dr.
Position:
Head of Photoacoustics
Adresse:
Altenberger Straße 69, 4040 Linz 
Tel.:
+43/732/2468 - 4650
E-Mail:
 

Scherleitner Edgar, Dipl.-Ing. Dr.
Position:
Area Manager Acoustics
Adresse:
Altenberger Straße 69, 4040 Linz
Tel.:
+43/732/2468-4653
E-Mail:
 

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