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SF210 HIFU-Hydrofon

Einführung


Der als HIFU bezeichnete hochintensive fokussierte Ultraschall (auch HITU, High Intesity Therapeutic Ultrasound) wird in zunehmenden Maße in der medizinischen Tumortherapie mit Erfolg eingesetzt. Weltweit beschäftigen sich zahlreiche Forschungseinrichtung mit der Anwendung von Ultraschall extrem hoher Leistung zur Behandlung von Krebserkrankungen. Die bereist heute erfolgreiche Ablation von Tumoren (Gewebezerstörung durch Erhitzung) der Prostata, der Leber, der Nieren und des Pankreaskarzinoms zeigen das enorme Entwicklungspotential dieses Verfahrens. Dabei erzeugen stark fokussierte Ultraschallfelder in der Behandlungsregion zum einen Temperaturerhöhungen auf bis zu 90°C (Hyperthermie) zum anderen verursachen lokal auftretende Kavitationen eine Zerstörung der Krebszellen.

Die Vorteile des HIFU-Verfahrens sind vor allem die Zielgenauigkeit, die geringe Invasivität und das Fehlen von Risiken und Nebenwirkungen durch Strahlenbelastung.

Um eine effiziente und risikoarme Behandlung mit HIFU zu gewährleisten ist eine genaue Therapieplanung erforderlich. Voraussetzung dafür ist die exakte Kenntnis der einzusetzenden Ultraschallfelder. Dazu ist es notwendig die Intensitätsverteilungen der HIFU-Sonden möglichst präzise und mit hoher Ortsauflösung zu vermessen. Da vor allem die extrem hohen Schalldruckamplituden von bis zu 100 MPa erfasst werden müssen, kommen herkömmliche Membran- oder Spitzenhydrofone kaum als Messgeräte in Betracht, da diese durch die hohen Intensitäten innerhalb kürzester Zeit zerstört werden.

Die Firma GAMPT hat aus diesen Gründen ein spezielles HIFU-Membranhydrofon entwickelt, das diesen extremen Anforderungen gerecht wird. Das HIFU-Hydrophon zeichnet sich vor allem durch eine ausgesprochen robuste Bauweise aus, die den Schallleistungen im Fokus einer HIFU-Sonde von bis zu 2000 W/cm² und den dabei auftretenden Kavitationen standhält. Dabei zeigt das Hydrophon eine flache Übertragungsfunktion, deren Bandbreite selbst bei Berücksichtigung vielfach höherharmonischer Signalanteile für HIFU-Sonden allen Ansprüchen gerecht wird. Die Ortsauflösung des HIFU-Hydrophons kann mit der hochempfindlicher Breitbandhydrofone verglichen werden.

Beschreibung


Die Probleme beim Messen von HIFU-Schallfeldern liegen vor allem in den extrem hohen Schallstrahlungsdrücken, den hermischen Materialbelastungen und den auftretenden Kavitationen begründet. Diese Effekte führen zur Zerstörung herkömmlicher Ultraschallsensoren. Durch eine spezielle Bauweise und verschiedener Schutzmaßnahmen konnte ein Membranhydrofon entwickelt werden, das selbst bei dauerhaft einwirkenden HIFU-Feldern höchster Leistungen eingesetzt werden kann.

Dies wurde vor allem durch den Einsatz von Schutzfolien und Dämpfungskörpern erreicht.

Durch die verwendeten speziellen Materialien wird eine Erhitzung des Hydrophons im HIFU-Schallfeld vermieden.

Das HIFU-Hydrophon verfügt über einen integrierten Vorverstärker der den direkten Anschluss an ein Oszilloskop ermöglicht. Für die Stromversorgung des Hydrophons steht ein entsprechendes Netzteil zur Verfügung.

Übertragungsfunktion des HIFU-Hydrofons


HIFU-Hydrophone müssen eine geringere Empfindlichkeit als konventionelle Hydrophone aufweisen. Da HIFU-Sensoren meist im unteren MHz-Bereich (1-3 MHz) betrieben werden, ist eine Bandbreite von 40 MHz bei 6 dB Signaländerung auch für die Erfassung der durch die nichtlinearen Effekte auftretenden höherharmonischen Signalanteile ausreichend. Die HIFU-Hydrophone zeigen im interessierendem Frequenzbereich eine flache Übertragungsfunktion. Zusätzlich kann bei geeigneter Kalibrierung des Hydrophons die frequenzabhängige Variation der Übertragungsfunktion durch einen Entfaltungsalgorythmus kompensiert werden.

Richtcharakteristik und effektiver Radius des Hydrophons


Die HIFU-Hydrophone der Firma GAMPT haben ähnlich den Membranhydrofonen der Serie MH-100 ein hohes örtliches Auflösungsvermögen von unter 300 µm. Damit können auch bei hochfokussierten Schallfeldern lokale Intensitätsmaxima identifiziert werden. Dies ist vor allem für eine gezielte Therapieplanung beim Einsatz von HIFU-Feldern in der Krebstherapie nicht nur für den Behandlungserfolg sondern auch für die Patientensicherheit von immenser Bedeutung.

Kalibrierung


Die Kalibrierung der HIFU-Hydrofone wird durch die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig durchgeführt. Dabei kommt ein spezielles in der PTB entwickeltes Impuls-Kalibrierverfahren zum Einsatz. Hier wird mit vergleichsweise großen Schalldruckamplituden kalibriert, was bei den für hohe Signalamplituden ausgelegten HIFU-Hydrofonen zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis führt.

Messungen


Messungen im Fokus von HIFU-Sonden zeigen den extrem nichtlinearen Verlauf der positiven und negativen Schalldruckamplituden bei hoher Anregeleistung. Die Positiven Schalldruckspitzen können Werte bis 100 MPa erreichen. Sie stellen durch den hohen Schallstrahlungsdruck eine enorme Belastung der Hydrofonmembran dar. Die negativen Schalldruckamplituden hingegen verursachen im Wasser Kavitationen mit hohem Zerstörungspotential während der Implosionsphasen.

Einsatz


Die HIFU-Hydrofone der Firma GAMPT werden zur Charakterisierung und Qualitätssicherung bei der Entwicklung und Produktion von HIFU-Sonden eingesetzt. Die detaillierte Messung der lokale Verteilung der Schallintensitäten und die genaue Analyse der Schalldruckmaxima sind die Voraussetzung für eine risikoarme Therapieplanung und eine erfolgreiche Tumorablation.

Die derzeit laufenden internationalen Bemühungen zur Standardisierung und Deklaration von sicherheits- und therapierelevanten Parametern der HIFU-Sonden (IEC 62649) erfordern in erster Linie geeignete Messsysteme, die den Anforderungen genormter Messungen im HIFU-Bereich gerecht werden können. Darüber hinaus werden regelmäßige Konstanzprüfungen für den sicheren Einsatz von HIFU-Sonden unerlässlich sein. Die HIFU-Hydrofone der Firma GAMPT können hier einen entscheidenden Beitrag zur Patientensicherheit bei der Krebstherapie leisten.

Zubehör


Für den Betrieb des HIFU-Hydrofons steht eine separate Stromversorgung zur Verfügung. Für den Anschluss an ein Oszilloskop ist ein geeigneter breitbandiger In-Line-Networktherminator (50 Ohm) erhältlich.

Die Firma GAMPT bietet neben dem HIFU-Hydrofonen weitere Produkte an, die für die Charakterisierung von Ultraschallsonden und deren Schallfeldern bestimmt sind. Zur Messung der lokalen Intensitätsverteilung, der Schallstrahlgeometrie und der Fokusdimensionen steht ein hochauflösendes 3-Achsen Scannsystem mit einer entsprechenden Messwanne und einer Absorbermatte zur Schallabsorption zur Verfügung. Der Scanner wurde für den Einsatz mit dem HIFU-Hydrofon entwickelt. Für die Bestimmung der zeitlich gemittelten Schallintensitäten kann aber auch der Thermoakustische Sensor für den HIFU-Bereich eingesetzt werden.

Technische Daten


Acoustic frequency range: 100 kHz to 40 MHz
Optional calibrated frequency range: 0.1 MHz to 40 MHz
Typical sensitivity: ≈ 5·10-8 V/Pa @ 5 MHz
Max. ultrasonic pressure: 100 MPa
Frequency response: ± 6 dB signal tolerance over 1-40 MHz
Effective diameter: < 250 µm
Polarity: noninverted
Output impedance: 50 Ohm
Membrane: 4.5 µm PVDF film
Housing dimension: 130 mm diameter
Size: 30 mm
Membran area: 40 mm diameter
Distance membrane to housing: front side 6 mm
Signal output: RG174 cable (50 Ohm),
BNC connector
Power input: 3 pole diode connector
+8..15 V / Ground / -8..15 V
Input current: ±20 mA

Bestell-Nr.: SF210

Links & Downloads

· Prospekt
"HIFU Hydrophone" (EN)