Die Laserstreulichtmethode, ein Verfahren zur quantitativen Kavitationserfassung

ORIGINALARBEIT

Die Laserstreulichtmethode, ein Verfahren zur quantitativen Kavitationserfassung J. Debus, K. Jochle, P. Huber, W. J. Lorenz Forschungsschwerpunkt Radiologie, Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg Zusammenfa ssung

Die Entstehun g transienter Kavi tationsbla sen in biologischen Geweben gilt als das wese ntliche nichtth ermische Agens der Ultraschall-Gewebe-Wechse lwirkung. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines onlineKa vitations-Detektionssystems , das die zu untersu che nden Ka vitationsereignisse sensitiv und spe zifisch elf ajJt. Die neu entwickelte Laserstreulichtmethode beruh t auf der kontin uierlichen Beleuchtu ng der Fokusregion eines kommerziellen Lithotripters (Lithostar" , Siemens) mit dem Strahl einer Laserdiode . Na ch Durchgang eines Lithotripterpulses wird ein Teil des eingestrahlten Laserlichtes an entstandenen Kavitationen rej7ektiert und mit Hilfe einer schnellen Photodiode detektiert, Als charakteristische MejJgrojJe verwenden wir die Lebensdau er bzw. Zerfallszeit der Kavitationsblasen, die nach Rayleigh 's Gesetz des Blasenzerfalls mit der beim Blasenkollaps [reigesetzten Energie in Zusamm enhan g gebracht werden kann , Die Erfa ssung der Blasenlebensdauer sowie der Blasenzerfallszeit ist mit einem relativen Fehler von ± 5 % miiglich. Wiihrend derlaseroptischen Messung wird das Schallfeld sowie die Kavitationsdynam ik nicht durch Einb ringen von MejJsensoren beeintrdchtigt , Durch Kombination der Zerfallszeit transienter Kavitationen mit dem maximalen Blasenradius , der mittels Strobskop -Fotografi e bestimmt werden kann, ist die Uberpriifun g von Rayleighs Blasenzerfallsgesetz fiir komplexe Blasenfeldermiiglich. A bs t r a ct

Generation of transient ca vities seem s to be the most important nonth ermal effec t regarding ultrasound/tissue interaction. It was the aim of this study to de velop a cavitation dete ction system characterizing events of cavitation in a specific way. The newly-dev eloped laser scattering method is based on the continuous illum ination of the focal region of a lithotripter Siemens Lithostar" . Durin g the life span of transient cavities a part of the laser beam is scattered f rom the surface of the bubbles. A characteristic measure f or cavi tation events is the life span of the bubbles or the time of bubble decay . According to Rayle igh' s law of bubble decay the time of bubble decay is correlated with the maximum radi us of the bubble, which is again correlated with the energy released durin g bubble collaps e. Using the new method we were able to determ ine the life span of the bubbles and the time of bubble decay within limits of erro r of less than ± 5 %, requiring no sort of sensor material in the path way of the sound field affecting the bubbles' dynamics. Combining the time of bubble decay with the maximum bubble radius , which can be obtained by stroboscopic photography . allows to test Rayleigh' s law of bubble decay in case of complex bubble fie lds. K eywords: Kavitat io n, Lithotri psic, Ultraschall , P HEUS

Einle itung Ultraschallgc rate fUr die medizinisehe Diagn ostik gel ten als sehr siehc r im H inblick a uf schad liche Ne benw irk unge n. In den ve rgangcn 30 Jahren wu rdc eine V iel zah l von klin isehe n Ultra schalluntcrsuchungen d urc hgefuhrt, ohne daB ci n

188

defini tivcr epidemiologischer achwcis von schadlichen Nebenwirkungen bei richtiger Han dh abung diagnostiseher Ultrasc ha llgerate dokumen tiert werden konnte [ I ). A is Grcnz inten sitat diagnostiseher Ultraseha llve rfahren fiir die ze itl ich gemittelte raumliche S pirzeni ntensi tat I-SPTA w ird he ute noe h ein Wert von 100 mW/cm 2 angegeben [21. Zahl-

Z. Med. Phys. 6 ( 1996) 188 - 193

Die Laserstre ulichtmethode . ein Verlah ren zur quanittativen Kavitationserlassung

re iche Diskussion en tibe r die A uss age kraft dieses Grcnzwcrtes vor dem Hintcrgrund der Ent stehung von Ka vitationser e ignisse n wurde n durch die vie lfa ltigen biolog isch en Wech se lwirkunge n von Ultraschallwell en hoh er er Inten sitat bzw. hoher ge pulster Druckampl ituden ausgelost. Gerade die in dcr mod emen Ultraschalldiagnosti k ve rwe ndete n DopplerSonographen nutz en im Pul sbctrieb Dru ckamplituden , bei deren Appl ikati on biol ogisch e Gewebeeffekte nicht zwcifelsfrei ausgeschlossen werde n konncn [31. A us lose r filr die intensiven Unte r uchungen der Wcch selwi rk ung vo n hoch ener get ischem Litho tripter-U1trascha ll mit biologisch en Ge web en ware n d ie e bcnwi rkunge n, d ie bei der ex trako rporalen Ze rtrtim meru ng von ieren steinen beobachtet we rde n konnten . eben der Ent stehung von Hamatornen wurden Odcme und Nekrosen nachgew iesen , die der Ent stehung von tra nsiente n Kavitationsbl asen im behandelten Gewebe zugesc hriebe n wurden [4J. Ais tran siente Kavitationsbl asen we rde n kleine kurzlcbi ge Hohlraurne in fliissigen Medien bezei chn et , die du rch starke Zugkra fte , wie sie in der Unterdruckphase hochenergeti scher Ultrasch all we llen auf tre te n, hervorgerufen we rde n konnen. Das ze rsto rcrisc hc Potential von tran sienten Ka vitat ion sbla sen w ird se it mehreren Jahren in ve rschiede nen Arbeitsgruppe n unte rs ucht und konn te so woh l in vitro [5 ] als auch in vivo besrati gt we rde n. So ist es gelungen , da s Wach stum von Tumorgewebe durch Be schallung mit hochencrgeti sc he n Ultraschallpulsc n hoch signifikant zu verlangsamen [6, 7] . Wahrend des Kollaps tran sienter Ka vitation sblasen. der sich inne rhalb we nige r Microsekunden vo llzieht, konnten zah lrcichc physikali sche Effekte beobacht et we rde n. Au s thermod ynamisch er Sicht we rde n d urch adia batische Kom pre ssion des Blasen volumen s lok al Tempe rature n von 20000 "K (8) theoreti sch errechne t. Zudem ist de r Koll ap s tran sien ter Kavitation sbl asen mit der Emission sekunda rer Schallwell en , soge nannter sph ari scher Schoc kwell en mit Druckampl ituden bis zu 7000 MPa verbunden [8]. Die Emission von schallind uzie rte n Lichterscheinungen [9] sowie che misc he Umwandlungsprozesse wie bei spi el sweise die Sonolyse von Wa sscrmolektllen , ve rbunde n mit der Erz eu gung fre ier Hydroxylradikale [ 10], w ird eben fall s mit der heftigen Implosion tran sienter Kavita tion sh ohlraume in Verbindung ge brac ht. Das Potential tran siente r Kavitationsbl asen ist hin sicht lich seiner biologische r Wechsel wirkungen noch nicht hin reich end erfa Bt. Daher ist die zuve rlass ige und reproduzierbare Erfassun g der ph ysikalischen Ka vitationsparame ter cine we scntliche Voraussetzung be i der Aufklarung der Ultraschall -G e webe-Wechselwirkung. 1994 ste llten wir ein faser opti sch es MeBsystem zur Erfassun g von einze lnen Ka vitat ion sbl asen vor [ 131. Dam it war die Kavitation sd etek tion in Ge webe sow ie die Best immung de r Ka vitat ion sleben sd auer einzelne r Ereig nisse mo glich, Ziel der vorliegenden Arbeit wa r es, c ine MeBmethode zu entwic kcl n, die es erlaubt, Kavitation sere igni sse in de r Fokusregion ci nes Lithotripters sowie die Dyn am ik de r durch StoBwell en indu-

zierte n Kavitat ionsbl asen qu antitati v in Ec htzei t zu erfassen. Darilber hinaus so llte cine A bsc ha tz ung der Kavitat ion sin ten sitat und so mi t des ze rs tore risc hen Pot entials des Kavitation sblasen feld es in Wasser erfolgen.

Material und Met hoden Thcori c Da s vo n uns angestre bte MeBverfahren so llte die zu quantifiz icrcndcn Kavitationsbl asenfeld er mogli ch st spezifisch cha rakte ris ieren. Eine fur Kavitat ionserei gnisse charak teristische MeBgroBe ist deren Leben sdauer. Der Maximalradius tran sienter Kav itationsblasen ist unte r Vemachlassigung der Viskositat und Kompressibilitat des um gebenden Mediums sowie unter Vernachl assigung der Ob erflachenspannung m it der Zerfallszeit der Blase nach Rayleigh ' s Blasenzerfall sgeset z unmittclbar verkniipft [ I I J. lz

= 0.91 5 · Ro

./fi

tz bez eichnet hier diej eni ge Zeit , die ei ne einze lne Blase mit ein em Anfan gs- bzw, Ma ximalradius Ro benotigt , urn in ein em Medium der Dich te punter eine m hydrostati schcn Druck Po ZlI kollabieren . Die in den Kavitationsbl asen ge sp eich ert e Ener gie ist vom Volumen der Blase [12 ] und damit in der dritten Poten z von der Zerfal L zei t der Bla se abhangig, Die Kenntnis der Zerfall szeit tra nsie nter Kavitati on sbl asen gestattet so mi t Rtick schliis. e auf die beim Blasenkollaps fre iwerde nde Energie und dami t a uf da s zcrsio reri sche Potential de r Blase [ 13]. Ve rsuchsa u fba u Das Prinzip dcr Laserstreulichtmeth od e beruht a uf der kon tinuierlichen Bcleuchtung der Fokusreg ion der verwendeten Sch all quelie m it Hilfe des Strahl s ei ner Laserdiode (Spind ler und Ho yer, DC 25C). Die Halbach sen de s elliptischen Laserstrahlprofi ls wurden sei tens des Herstellers m it 3,4 mm mal 5,2 mm an gegeben. Die Le istun g der La ser diode ist in e inem Bereich vo n 5 mW bis 30 mW frei ei nste llbar. Die Wellen lan ge der Laserdiod e ist mit 780 nm be ziffert . So wohl die verwendete Wel lenl ange als auc h die einges tra hlte Laserintensitat w urden im Hinblick auf die Verrneidung thermisch er Effe kte im zu untersu chenden Med ium ge wahlt. Sobald in der Fokusregion nach Du rch gang cin es Lithotripterpu tscs sc ha llinduz ierte Ka vitat ion sblasen e ntstehe n, wird ein Tei l des ei ngestra hlten Laserli ch tes an den Blasen rcfl ektiert bzw, ges trc ut. und mit H ilfe ein er sc hne lle n Photodiode (HFD 1060), kom bin iert mit eine r Verstarkerelektronik, unter ei ne m festgclegten Raumwinke l dc tektiert (B ild I). Die spekt rale Em pfi ndlic hkci t der Photod iode HFD 1060 erre icht bci der verwendeten Laserwellenlange von 780 mm nahezu ihren Maxim al wert.

189

Die Laserstreulichtmethode. ein Verfahren zur quantitativen Kavila lionserfassung

Druck [MP a]

Detektor 20

0-1----' -2

Fokussierte Schallquellc Abbildung I Schematischer Ye rsuchsaujbau der Las erstre ulichtmethode . Fokusslerte Ultra schallpulse werden von der Unt erseite eines mit deionisiertem und teilentgastem Was ser gefii llten Beschallungsb eckens einge koppe lt. Dutch ein seitliches Fenster im Becken wird der Laserstrahl auf die Region des geo metrischen Fokus gerichtet . So bald nach Durch gan g eines Schallpulses au sreichender Amp litude Kavitationsbla sen in der Region des geo metrischen Foku s entstehen , wird ein Teil des eingestrahlten La serlichtes an den Blasen gestreut bzw. refle ktiert, und mit Hille einer schnellen Photodiode detektiert , Die Photodiode ist ge me insam mit einer rau scharm en Elektron ik in ein kompa ktes Unterwassergehduse eingebaut , so dajJ die Photodiode [re i im Beschallungsbecken posit ion iert we rde n kann.

Die Photodiode se lbst wurd e in ein wasserdiehtes Gehause ein geb aul. Dureh ein Fen ster Iallt das an den Blasen reflektierte Licht auf eine Sammellinse, die parall el einfallendes Streulicht exakt auf die . cnsitive Flache der Photodiode foku ssiert , was zur Ste igerung der MeBempfindlichkcit ftihrt. Die Sen soreinheit befindet sieh wahrcnd der Me ssungen auBerhalb des Schallfeldes und gestauet aufgrund der kompakten Bauweise die freie Positionierbarkeit im Besehallungsbeeken. Zur Justierung des Laserstreuliehtsys tems wurd e die Spitze cines im geome trischen Foku s der Seh allqu elle angebraehten adelhydrophon s mit Hilfe des Laserstrahl s beleuehtet und der Photodetektor anse hlieBend auf maximale reflekticrtc Amplitude posit ioniert , Zur Visualisierung des Laserstrahl s war ein IR-Wandlersehirm erforderli eh. Ais Sehallquelle verwendeten wir e ine aus Komponenten eines clektromagnetischen Lithotripter Litho tar® der Firma Siemens aufge baute Ex perimentiere inheit. Die zunachst ebenen Ultrasehallwe llen werden mit Hilfe ciner aku stisehen Poly styrollinse mit einer Brennweite von f = 98 mm foku ssiert. Die Ultrasehallpulse wurd en in ein Wasserbeeken mil dcionisiertern, teilentgastem Wa sser (Sauerstoffgehalt

190

o

5

10

15

20

Zeit [us] Abbildung 2 Typisches Drucksignal im Foku s eines Lith otript ers Lith osta r'' der Firma Siemens. In Abh dngigkeit der verwendete n Kondensat orspannung konnten Stofi wellen mit positiven Druckamplituden bis ZlI 70 MPa erzeugt werden. Zu r Signalaufnahme wurde ein kapaziti v gekoppe ltes Mem branhydroph on (Sieme ns) verwe nde t.

3,6 mg/l ) cingekoppelt. Mil Hilfe die ses Aufbaus war es moglich, Ultrase hallpulse mit positiv en Druekamplituden, abhangig von der verwendeten Kond en satorspannung de Lithotriptersysterns, bis zu 70 MPa zu erze ugcn (Bild 2). Zur Messun g der appli zierten Druekamplituden verwendeten wir kalibrierte Nadelhydrophone vorn Typ Imotee 800.5-4.0 sowie ein kalibriertes, kapazitiv gekoppelte s Mcm branhydrophon (Siemens) . Die Signal aufn ahm e erfol gte mittel s eines digitalen Speicheroszillo skops (Rohde & Schwarz BaS 845 .0007.0 2). Das Prinzip der vorgestellten Kavitationsrnellm ethodc beruht auf der Streuung eines Laser strahls an Kavitationsblasen, die ihre GroBe wahrcnd des MeBvorgangs verandern. Wie bei allen opti sch en Strcuexperimenten hangt das Streuverhalten maBgeblieh vom Vcrhaltnis zwi schen Untersuchungs wellenlangc und GroBe des streuende n Objekts abo Da naeh Durehgang eines Lithotripterpulses ausreichender Amplitude nicht mit der Entstehung einer e inzel nen Blase, sondem vielmehr mit einer komplexen Blasenwolke zu reehnen ist, handelt es sieh bei der Streuung des Laser strahls an den Blasen urn ein Vielfachstreuproblem, Wird den naeh folgenden Uberlegun gcn Streuung in e inem triiben Medium zugrundege leg t, so kann fur Streuzentren, deren Rad ius klei ncr als die Wellen Hinge des Laserstrahls iSI. der Rayleigh ' sehe Form alismu s ange wa ndt werde n. Sob ald die Streuzentren (Kav itationsblascn) auf Radi en annahernd gleieh der Untersuchungs wcllenlange von 780 nm anwaeh sen, tritt Miestreuung auf. In diesem Fall wird die groBte Inten sitat in Vorwartsrichtung gestreut.

Die Lase rstre ulichtm ethod e. em Verfah ren zur quarnttanven Kavita tionsertassunq

Ex per imente und Ergeb nisse

Signalspannung [mv] 300 ..,-- - - - - - --

-

-

-

-

-

-

- --

-

----,

Laserstreulichtmessung Ein typi sches Lascrstreulichtsignal einer Einzelmessung, wie es nach Durchgang eines Lithotripterpulses mit einer Kondensatorladespannung von 19 kY (Pmax = 69,5 MPa, Pmin = 12,5 MPa) und einer Pulsfolgefrequenz von 0,5 Hz unter einem Winkel von 90 0 zwi schen einfallendem Laserstrahl und Photodetektor empfangen werden kann , ist in nachfolgender Abbildung dargestellt (Bild 3). Ais Trigger fiir das Oszilloskop diem der Entladestrom des Hochspannungskondensators. Dieser Storpuls markiert gleichennaBen den Zeitpunkt der Schallpulsau slosung, Nach einer Laufzeit von 190 J.lS erreicht die StoBwelle den gcornctrischen Fokus der Schallquelle, und fuhrt dort zur Entste hung von Kavitationsblasen, was an der Detektion von Streulicht zu erkennen ist. Die Signalhohc steigt fur ca. 300 us entsprechend dem Anwachsen der Blasen an. ach weiteren 300 us hat der Kollaps der Kavitationsblasen startgefunden. Die Rauschamplitude der Photodiodcn-Verstarkereinheit wurde zu ± 3 mY best immt. Die Signalamplitude betragt bei der verwendeten Ge rateeinstellung ca. 250 mY. Die starken Fluktuationen der Signalhohe innerhalb des Laser streulichtsignals bei Einzelmessungen werden auf in das beleu chtete MeBvolumen eindriftende bzw, das MeBvolumen verlassende Bla en zurii ckgefUhrt .

200

100

100

-h- -- - - . - - --,-- -----,, -- - --.-- - ----.J

o

0.2

0,4

0.6

0.8

1,0

Zeit [rns]

Abbildung 4 Eillj7uj3 der Kondensatorspannung des Lithotript ersystems au! die Lebensdauer tran sienter Kavitationsereignisse . Um statistische Schwankungen der Kavitationsentstehung ZIt verringe rn, wurde iiber jeweils 32 Schallpulsauslosungen bei drei unterschi edlichen Konden satorspannun gen gemittelt, Ais Bla senlebensdauer bezeichn en wir die Zeitspanne zwischen erstem Auftreten von Laserstreul icht (1) und dem Schnittpunkt der Extrapolationsgeraden der abfallenden Flanke mit der Absziss e (3) . Ais Bla sen zerfallszeit be zeichn en wit die Zeitspanne zwis chen maximalem

l.aserstreulicht (2) und dem Schnittpunkt der Extrap olationsg eraden der abfallenden Flanke mit der Absz isse (3 ). Bestimmung der Blasen leb ensdauer

Signalspannung [mv] 300 250 200 150 100 50

o

·H I'I/""'-- - -

Streulichtsignal 0,0

0 ,2

0,4

0,6

0.8

t ,O

1.2

Zeit [ms]

Abbildung 3 Typ isches Laserstreulichtsignal einer Einzelme ssung, 190 JI S nach dem Start des Ultraschallp ulses erre icht die Stoflwelle den ge ometrische n Fokus und fiihrt dort zur Ent stehung von Kavitationsblasen . Der Storpuls am linken Rand der Abbildung ist au! das Entladen des Hoch spannungskondensators zuriickzufiihren will markiert dell Zeitpunkt der Schallpulsau slosung , Nach insgesamt 730 JI S (540 JI S nach An stieg des Laserstreulichtsignals ) hat der Bla senkollaps stattgefunden.

Die Entstehung tran sienter Kavitationsbla sen in hoch energetischen Ultraschallfeldem ist starken statistischen Schwankungen unterworfen. Urn diese stati tischen Schwankungen zu vennindcm, wurde unter Yer wendung des dig italen Speicheroszilloskops be i jeder zu untersuchenden Gerateeinstellung iiber jeweils 256 Schallpul sauslosun gen gemittclt, und das so erhaltene Signal wurdc ausgelesen. Die bei Einzelmessungen beobachteten Fluktuationen der Signalhohe konnten so nahezu vollstandig unterdriickt werden (Bild 4) . Zur begrifflichen Festlegung der Blasenlebensdauer wurde die abfallende Flanke des gemittelten Laserstrculichtsignals linear extrapoliert, und der Zeitpunkt des Durchgangs der Extrapolationsgeraden mit der Abszisse wurde als Zeitpunkt des vollstandigen Zerfall s der Blasen definiert. Die Zeit spanne zwischen erstmaligem Auftreten von Streulicht und Durchgang der Extrapolationsgeraden dur ch die Abszisse wird fortan als Blasenlebensdau er benannt. Die Zeitspanne zwischen Auftreten des maximalen Laserstreulichtsignals und Durchgang der Extrapolationsgeraden durch die Abszisse bezeichnen wir mit Blasenzerfallszeit, Die Hohe der applizierten Druckamplituden beeinflullt die Leben sdauer der schallinduzierten Kavitationen unm ittcl bar. Dies konnt e durch Variation der Kond ensatorladespannung des Lithotriptersy stem s bei gleichzeitige r Messung der Laserstreulichtsignale verifiziert werd en (Bild 4) .

191

Die Lase rstreulichtmethode. ein Verfahren zur quantitativen Kavi tationserfassung

berpriifun g von Rayleighs 81asenzerfallsgesetz Urn die Gii ltigk eit von Rayleighs Blasenzerfallsgesetz zu ubcrprti fe n, ist neb en der Kenntnis de r Blasenzerfallszei t die Kenntnis des maximalcn Blasenradius bci gegebe nen akustische n Parametem erforderlich . Die Blasenzerfallszcit ist au s den ge messenen Laserstreul ichtsignalen unmittclbar zuganglic h. Dazu wurdc bei ein er Kond en satorladc. pannung von 19 kV bci e ine r Pul sfolgcfrcquenz von 0,5 Hz eine Mittelungsm essun g iiber 256 Sch allpulsau slosun gen l Ofach wiederhol t, urn die mittlere Leb en sdauer der Kavi tat ion sereigni sse so wie die Blascnzerfallszeit erm itte lt. Ais MeBfe hler wurde die Stand ardabweichung der 10 Messun gen zum Mittel wert angenommen. Ais Blasenzerfall sze it bei den gen annte n aku sti sch en Parametem konnte ein Wert von 33 0 us ± 5 % erm itte lt werden . Der maximale Blasen rad ius wurde uber die Anfertigung von Stroboskop-Fotografien ermittelt. Die Region de s geometrisch en Foku s wurde in einem Bildau sschnitt von 36 mm mal 24 mm maBstab sgerecht I : I zum Zeitpunkt de r maximalen Sign alhoh c des Streul icht signals fot ografi crt . Durch Vari ation der zeitliche n Verzogerung des Stroboskopblitzes in eine m Bere ich von ± 150 us um den Zeitpunkt de s maximalen La serstreulieht sign als wu rde siche rges tellt, daB de r Zeitpunkt maximaler Streuliehtampli tud e mit dem Zeitpunkt des maxim alen Blasenradius iibe reinstimmt . Zu jed er zeitlich en Verzogerung, va riiert in Schritten vo n lO u s, w urden 10 Strob o kop-Fotografien des Blasenfeld es angefertigt. Die Fotog rafien wurden anse hlieBend 30 fach verg rofsert. Die Gesam tvergrof crung wu rde durch Abbildung ein es ReferenzmaBstabes iibcrpriift. An schli eBend wurde der maximale rnittl ere Radius der Blasen ermiue lt. Bei eine r Kond en satorspannung von 19 kV wurde n 72 Strob oskop-Fotogr afie n zum Zeitpunkt des maxim alen Streul ichtsign als angefertigr, und der maximale mittlere Blase nradius wurde fu r je de Fotografie erm ittelt, Die Standardab weiehung des ermittelten We rtes fiir jede Fotografie yom ge mei nsa me n Mittcl wert wu rde als MeBfeh lcr ange nommen . und konnte mit 2,5 % beziffert werden . Bci oben ge nan nten Gerateei nstell un gen konnte ei n maxim aler durchsc hnittliche r Blasenrad ius vo n 44 0 urn ± II urn gefunde n we rde n.

Diskussion Tran sient e Kavitati on sereignisse we rde n als wesentliehes nieh tthermiseh es Agens de r Ultrasc ha ll-Gewebewechselwirkun g an gesehen . Ziel d iese r Arbeit war es, e ine MeBmethode zu en twic kel n, die es ermog licht, tran sient e Kavitation sere ignisse in hochen erge tise hen Ultraschallfe ldem zu vcrlassig zu qu antifi zie ren und zu charakterisieren. Ein charakteristisches Ma B fur Kavitation ser eigni sse ist deren Lebens-

192

dau er , die mit Hilfe der hier vorges tellten MeBmethode rep rodu zierbar (MeBfe hler ± 5 %) bestimmt we rde n kann. Die Erfassun g von tran sienten Kavitationsblasen ges taltet sich als meBtechni seh schwier ig, da es sich urn kur zlebige, statistisch auftretend e Erei gni sse handelt. Zusatzlich begu nstigen lipophile Gr enzflach cn die Kavitationsentst ehun g, da lipophile O berfl achen zahlre iche als Kavitat ionskeime wirkende "Gas tasc he n" aufwe ise n. Die Laserstreu lichtmethode tragi diesen An forderungen Rechnung. Das opti sche MeBsystem venne idet das Einbringen von MeBse nsoren in das Ultraschallfeld vollstand ig. Die Lase rdiode befindet sich auBerhalb de s Besch allungsbecken s, ihr Strahl wird dureh e in Fenster auf den geornctrisehen Fokus der Sch allquell e geric htet. Dureh die Verwendun g der Photodiode HFD 1060 ist die Abbildung von Signalanderungen im anose kundenbereieh mo glich . Die verwe ndet e Vcrstarkerschaltun g sic hert ausreieh ende S ignalam plituden. Der Ein sa tz einer op tisehe n Sammellinse, die pa rallel einfa llendes Streulieht ex akt auf die se ns itive H ach e der Ph otodiod e fokussiert, dient der Ernpfind lich kei tssreigerun g des MeBsystems. Der Einbau der Photodioden -Verstarkerkombination in ein kompakt es Unterwasserge hause erlaubt die freie Positioni erbarkeit des Detektors im Besehallungsbeck en auBerhalb des Schallfeld es. Die Mo glichkci t, de n Winkel zwischen einfallendem Laserstrah l und Photodetekt or va riiere n zu konnen , erlaubt die An passun g der Empfind lichkeit de s MeBsystem s an das jeweil ige MeBprobl em , da die ge messene Streulichtampl itud e stark vo rn Winkel zwischen Laserstrahl und Photosensor abhangt, Gegenu be r ei nem Wi nkel von 90 0 zwische n Laserstrahl und Detektor konnte d ie ge messene Signal amplitude durch Positionierung der Empfangsdiode in zun ehmender Vorwartsriehtung um bis zu 300 % ges teige rt werden . Dieses Ergebnis entspr ieht den theo retisch en Vorhersagen Itir Miestreu ung de s Laserstrahl s an den Blasen . Dem statistisc hen Ch arakter tran sient er Kavitation sb lasen wi rd dah ingeh end Rechnung getragen, daB aufg rund des ausgedehnten Strahlprofils der Laserdiode nie ht ein zeln e Blasen des Kavitationsfeldes vennessen werden , sondern cine Integrationsmessu ng iiber ca. 60 Blasen durch gefuhrt wird. Mittelung tiber jeweils 25 6 Sch al lpul sa uslosun gen bewi rkt zusatzlich eine star ke Verringerung statistisc he r Seh wankungen . Ais relat iven Fehl er verwe nde n wir die Standard ab weiehung aus 10 Messun gen , d ie bei unverand erten Ultrase ha llpa rame tem aus Mittelungsmessun gen tibe r je 256 Sch allpu lsau slo sungcn erhalten werd en konnten . Beziigl ich der Blasenlebc nsdauer erga b sich ei n relati ver Feh ler von maximal ± 5 %. Die ein gestellte Kond en satorspannung des Lithotriptersystem s und da mi t die ei nge strahlte Amplitude de r Sch all pul se bee infl ufst die Leb en sdauer der Kavitat ionsbl asen und damit deren Ene rgiei nhal t unmittelba r. Die Bestimmung des maximalen Blasenradi us unter Verwendung der Stroboskop-Fo tografie liefert im Rahmen der Me13gen au igk eit zuve rlass ige Erge bnisse . Aufgrund der star-

Die laserstreulichtmelhode. ein Verfahre n zur quaninativen Kavitationserfassung

ken Vergr Ol3erung der Stroboskop-Fotografien kan n der relative Fehl er der Bestimmung des maximalen Blasenradius auf ± 2,5 % abgcschatzt we rden. Bei maxi maler Schallpulsenergie kon nte ein maximaler durchsch nittlicher Blasenradi us von 440 urn ± I I u rn gefunden werden. Die Korrclation der Blasenzerfa llszcit in komplexen Kavitationsblasenfeldem mit dem maxi ma len Blascnradius ges tatte t die Uberprufung von Rayleighs Balsen zcrfallsgesetz. Die von uns ermi uel te Zerfallszeit eine r Blase mit einem maximalen Durchmesser von 440 IIm liegt mit 330 IIs ± 16,5 IlS ca . 13 % unterhalb der theoretischcn Vorhersage von Rayleigh . Unter Berucksichtigung der starken Vereinfachungc n des von Rayleigh angewendeten Modells wie de r Vcmachlassigung von Visko sitat, Kornpressibi litat und Obcrflachenspannung des umgebenden Medi ums sind die Abweichunge n jedoch erklarb ar. Zusatzlich muB beru cksicht igt werden , daB Rayleighs Blasenzerfallsgcsctz unter der Voraussetzung eines einze lnen, isol ierten Kavitationshohlraumes hergeleitet wurde. Wechselwi rkungen zwischen den Blasen in einem komplexen Kavitationsbl asenfeld sind jedoch nicht ausz uschlieBen. Aufg rund der hohcn statistisc hen Genaui gkeit der vorgestellten MeBmethoden ist es moglich , sowohl den Einfluf der Ultraschallparameter als auch den Einfluf der Umgebungsparameter auf die Kavitationsentstehung und -dynamik zu untersuchen. In der Vergangenhei t hat sich gezeigt, daB die Messung der Ultra sc hallsig nalform allein dies nic ht leisten kann, da insbeson de re be i hohen Arnplitude n die Messung von negativen Driickcn schwierig ist, Die Signal form der Lase rstreulichtrncthode bein haltet neben Informatio nen tiber die Lebcnsdauer transienter Kavitationsblasen auc h Hinwe ise auf dere n relative Anzahl in der Blasenwol ke. Die Signalamplitude wird einersei ts durch die Grobe der einzelnen streuenden Blasen beeinfluBt, zurn anderen jedoch auch durch deren Anza hl. Unter der Voraussetzung kons tanter Ultraschallpulsamplitude (konstante Kon densatorspan nung des Lithotriptersystem s) und damit kon stanter maximaler Blasengrofle wird die Signalhohe ledigl ich dur ch die relative Anzahl von Streu zentren bestimmt. Unter dieser Voraussetzung kann beispielsweise der Einfl uB der Pul sfolgcfrequenz auf die re lative Anzahl von Kavitationsblasen untersucht werden . Eine Absc hatzung der Kavitationsintensitat, ge bildet aus der Anzahl de r Kavitationen sow ic deren Energieinhalt , erlaubt dann eine Abschatzun g des zcrstorerischen Potentials der Blasenwolke. Wir meinen, daB mit der hier vorges tellten universe II ein setzbaren Laserstreulichtmethode sowohl verschicdene diagnostisc he als auch therapeutische Ultraschallgerate hinsichtlich ihres Potentials bezilg lich einer mogl ichen Kavitationsent stehung verglic hen werde n konn en, Darub er hinaus erlaubt die vorgcstcllt e Laserstrcu lichtmethodc sys tematische Untersuch ungen der kavitat ionsbeeinfl ussend en Ultraschallparamcter wie Schallpulsamplitudc, Pu lsfolgefrcquenz und Pulslangc in Bezug auf die Erzeugung transienter Kavitationscreignisse sowie deren Ene rgieinhalt.

Danksagun g Die Autoren bcdanken sich bei der Firma Siemens AG UB Med Erlangen Deutschland fUr die technologische Unterstiitzung.

Eingegangen am 1.2.1996; zurn Druck angenommen am 9.9.1996

Literatur [ I ] Zisk in. M. c; Petitti. D. B.: Epidemio logy of hum an exposure to ultrasound : A crit ical revi ew . Ultraso und Med . Biol. 14 (1988 ) 9 1-96 (2] NCRP: Biological effects of ultrasound: Mechanisms and clinica l implication s. Bethesda. MD: Nationa l Coun cil on Radiation Protec tion and Mea surements, ( 1983) Report No. 74 (3] Barnett . S. B.: Ter Har, G. R.; Zisk in, M. c. ybo rg. W. L.: Maeda. K.: Bang, J.: Current status of research on bioph ysical effec ts of ultra sound. Ultras ound Med , Bio I. 20 (1994) 205 -218 14 1 Delius, M.: Dcnk , R.: Berdin g. c.. Licbich , H.-G.: Jordan, M.: Brende l. W.: Biolog ical effects of shock waves : Cavitation by shock wave s in piglet liver. Ultrasound Mcd . BioI. t6 ( 1990) 467-472 (5] Brau ner. T.: Brummer. F.; Hulser, D. F.: Histopa tho logy of shock wave treated tumo ur ce ll suspensions and mu lticell tumour sphero ids. Ultrasound Med . BioI. 15 ( 1989 ) 451 -460 16] Debu s. J.; Peschke. P.: Hahn . E. W.: Lorenz . W. J.: Loren z. A.: lfflaender, H.; Zabel . II. J.: van Kaick, G.: Pfe iler, M.: Treatment of the dunn ing prostate rat tum our R3327-AT I with pulsed high energy ultra sound shoc k waves (PHEUS); growth delay and hi tom orph ologic changes. J. Urol 146 ( 199 1) 1143-1 146 [7] Chapelon, J. Y.; Prat o F.; Delon, c.: Mar gonari . J.; Gclct , A.; Blanc. E.: Effect s of cav itation in high intensity therap eu tic ultra sound. IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings (199 1) 1357- 1360 [8] Flynn . H. G.: Genera tion of tran sient ca vities in liquid s by microseco nd pulses of ultrasound. J. Acou st. Soc. Am . 72 ( 1982) 1926-1932 [91 Coleman. A. J.: Choi, M. J.; Saunde rs, J. E.: Leig hton. T . G .: Acou st ic em ission and so no lumi nesce nce due to cavitatio n at the beam focu s of an clcctrohydrau lic shoc k wave lithotripter, Ultras ound in Med . BioI. 18 (1992) 267-28 1 [10 ) Suslick, K. S.: Ultrau sound . Its chemical physical and biological effects. (1988 ) New York VC l{ Publishers , Inc. [I I) Raylei gh. Lord : On the pressure. developed in a liq uid durin g the collapse of a spheric cavity. Phil. Mag. 34 ( 19 17) 94-98 [ 12] Apfe l. R. E.: Acou stic cav itatio n: a possible consequence of biomedica l uses of ultrasound, Br. J. Canc er 45 Suppl. V (1982 ) 140 [131 Huber. P.: Debu s, J. : Peschke . P.; Hahn , E. W.: Lore nz, W. J.: Faser opti schc Messun g der Kavitation in Eyperimentahumoren, Z. Mcd. Phys. 4 ( 1994) 136-14 1

Kurres pondenzanschrift : Dr. rer. nat. Knut Joch le Forschun gssehwerpunkt Rad iologi sche Diagno stik und Therapic Deuts ch cs Krebsforschun gszcntrum Post fach 10 19 49 69009 Heidelberg

193