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Hochintensiver fokussierter Ultraschall (HIFU) ist eine nicht-invasive Wärmetherapie im Frühstadium, die zur Behandlung verschiedener Erkrankungen eingesetzt wird, darunter neurologische Störungen und einige Krebsarten. Jetzt haben Forscher der City University of Hong Kong ein Array-basiertes HIFU-System entwickelt, das Echtzeit-Ultraschall (US) und photoakustische (PA) Bildgebung integriert, um die Behandlungsdurchführung zu verbessern. Das System liefert Temperatur- und Strukturinformationen zur Steuerung der Therapie und überwindet so bisherige Herausforderungen wie lange Behandlungszeiten und ungenaue oder kostspielige Bildführung.

HIFU bietet die Vorteile einer tiefen Penetration, einer kontrollierbaren Ablationspunktgröße und niedriger Hardwarekosten. Ein großer Nachteil sind jedoch die oft langen Behandlungszeiten aufgrund von Fokusflecken, die kleiner als die tatsächliche Abmessung des Behandlungsbereichs sind, und fester Fokustiefen. Langwieriges mechanisches Scannen kann zu einer Fehlausrichtung zwischen dem vorgesehenen Behandlungsort und dem tatsächlichen HIFU-Fokus führen. Um Schäden am umliegenden gesunden Gewebe zu minimieren, ist eine präzise und zeitnahe Dosiskontrolle von entscheidender Bedeutung.

Die Kombination von Ultraschallbildgebung mit HIFU kann eine Echtzeitüberwachung zu geringen Kosten ermöglichen, war jedoch für den klinischen Einsatz ungeeignet, da die Temperaturempfindlichkeit nicht ausreichte, um die HIFU-Behandlung genau zu steuern. Das neue System, das von Yachao Zhang und Lidai Wang entwickelt und in Biomedical Optics Express beschrieben wurde, löst viele Probleme, indem es den PA/US-Bildwandler und den HIFU-Wandler mit einem einzigen Datenerfassungssystem verbindet und die PA/US-Bildgebung und die HIFU-Übertragung synchron programmiert .

Der Array-basierte HIFU-Wandler verfügt über einen großen dynamischen Lenkbereich sowohl in axialer (40 mm) als auch in lateraler (16 mm) Richtung. Die Behandlungspunkte werden elektronisch durch Anpassen der Anregungsphasenkarte bewegt, wodurch es möglich ist, mehrere Punkte relativ schnell mit 15 s/Punkt zu behandeln. Zhang und Wang weisen darauf hin, dass der langwierige räumliche Kalibrierungsprozess zwischen therapeutischen und diagnostischen Wandlern vermieden werden kann, da der Multielement-HIFU-Wandler auch zur Erfassung von Ultraschallbildern und zur Ausrichtung mit dem Bildwandler in axialer Richtung verwendet werden kann. Der HIFU-Applikator wählt den Ablationsbereich automatisch basierend auf dem Feedback der Dual-Mode-Bilder aus.

Das neuartige HIFU/PA/US-System besteht aus vier Hauptkomponenten. Eine HIFU/Bildgebungssonde integriert einen 128-Kanal-HIFU-Wandler und einen linearen Phased-Array-Bildwandler. Das Datenerfassungssystem verfügt über 256 Kanäle, von denen die Hälfte für die HIFU-Therapie und die andere Hälfte für die PA/US-Bildgebung verwendet wird. Der Aufbau umfasst auch ein optisches System, bestehend aus einem abstimmbaren optischen parametrischen Oszillatorlaser und einem gütegeschalteten Nd:YAG-Laser. Schließlich umfasst die Steuereinheit einen Bewegungscontroller zur Verschiebung der Probe und einen Sequenzcontroller zur Synchronisierung der HIFU-Übertragung, der PA- und US-Bildgebung sowie der PA-basierten Temperaturüberwachung.

Um die dynamische Mehrpunktablation mit dem HIFU-Wandler zu demonstrieren, entwarfen die Forscher ein kreisförmiges Ablationsmuster mit neun Zielpunkten und verwendeten es zur Ablation eines Polydimethylsiloxan (PDMS)-Phantoms. Anhand der Positionsinformationen hat das HIFU-System jeden Punkt automatisch 15 Sekunden lang abgetragen. Das Ablationsmuster auf der PDMS-Probe stimmte gut mit dem geplanten Design überein.

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Die Forscher testeten das System auch mit frischem Hühnerbrustgewebe. Sie nutzten sequentielle HIFU-Übertragung, PA-Bildgebung, PA-Thermometrie und US-Bildgebung, um Dual-Mode-Bilder anzuzeigen und Temperaturänderungen am Zielpunkt aufzuzeichnen und so zu bestätigen, dass das System den Fortschritt der HIFU-Therapie in Echtzeit überwachen kann. Die Experimente bestätigten die präzise und dynamische Steuerungsfähigkeit der HIFU-Ablation und zeigten, dass strukturelle und funktionelle Informationen, die durch gleichzeitig registrierte Doppelbilder generiert werden, die HIFU-Therapie präzise positionieren und die Dosiskontrolle aufrechterhalten können.

„Aufgrund der Vorteile der multimodalen Bildgebung und der nicht-invasiven Therapie bietet das trimodale System nach wie vor große Aussichten für die klinische Anwendung“, schließen Zhang und Wang.