Entwicklung elektro-optisch abstimmbarer Fabry-Pérot Ultraschallsensoren für biomedizische photoakustische Bildgebung mit hoher Bildrate

• Antragsteller: Professor Jan Laufer, Ph.D.; Professor Dr. Sigurd Schrader
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283368314

Die photoakustische (PA) Bildgebung ist eine neuartige biomedizinische Bildgebertechnologie, die auf der Erzeugung von Ultraschallwellen im Gewebe durch die Absorption von kurzen Lichtpulsen beruht. Diese Wellen propagieren zur Hautoberfläche, wo sie durch Ultraschallwandlerarrays als zeitlich aufgelöste, photoakustische Signale detektiert werden. Aus den gewonnenen Datensätzen werden durch Rekonstruktionsalgorithmen hochauflösende 3-D Bilder errechnet. Die PA-Tomographie hat leistungsstarke Attribute, wie z.B. die Multiskalenbildgebung, und, im Gegensatz zu Technologien wie MRT, CT, Ultraschall, starken Haemoglobinkontrast in vaskularisiertem Weichgewebe. Die PA Bildgebung ist zudem nicht-invasiv und vereint die Vorteile optischer Methoden, wie z.B. spektroskopische Spezifität, mit der hohen räumlichen Auflösung der Ultraschallbildgebung. Obwohl piezoelektrische Ultraschallwandler die am meisten verwendeten Detektoren sind, resultiert deren Anwendung bei der hochauflösenden Bildgebung oberflächlicher Geweberegionen in klaren Limitationen, da die erforderlichen sehr geringen Detektorabmessungen mit niedriger akustischer Empfindlichkeit verbunden sind. Im Gegensatz dazu bieten optische Ultraschalldetektoren, wie der Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) Sensor, extrem kleine (beugungslimiterte) Detektorabmessungen, zugleich hohe akustische Empfindlichkeit, einen flachen Frequenzgang (dc-100MHz) und optische Transparenz für effiziente Signalanregung und -detektion. Der rein optische, auf einem FPI-Sensor basierende PA Scanner hat einen hohen Qualitätsstandard bei der hochauflösenden, bis zu 1-2cm tiefen 3-D Bildgebung erstellt. Dies ermöglichte die Aufnahme beeindruckender Bilder der Vaskulatur im Hirn, der Haut, und in Tumoren in vorklinischen Studien. Der Scanners hat allerdings einen signifikanten Nachteil: im Vergleich mit modernsten piezoelektrischen Scannern niedrige Bildaufnahmeraten. Dieses Projekt wird diese Limitation durch die Entwicklung eletro-optisch (EO) abstimmbarer FPI-Sensoren überwinden, um PA Bildgebung mit hoher Bildrate zu ermöglichen. Dies erfordert die Entwicklung von 1) EO abstimmbarer Polymer-Spacer, 2) Methoden für die Herstellung von EOFPI Sensoren, 3) Geräten und Software für EOFPI-Sensorregelung und parallelisierter Signalaufnahme sowie 4) die Demonstration biomedizinischer PA Bildgebung mit hohen Bildraten. Die Entwicklung dieser Technologie hat das Potential, zu einem Quantensprung in der Bildgeberleistung von FPI-basierten Scannern zu führen, welche ultimativ 3-D Echtzeitbildgebung mit hoher räumlicher Auflösung ermöglichen kann. Diese Technologie würde eine Vielzahl von vorklinischen und klinischen Anwendungen, wie z.B. neuro-funktionelle Bildgebung und Blutflußimaging, in denen die bildliche Darstellung schneller physiologischer Prozesse wichtig ist, ermöglichen. Dieses Projekt hat das Ziel, den Grundsatzbeweis für EOFPI-basierte, PA Bildgebung mit hoher Bildrate erbringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen