In diesem Projekt soll das Potenzial der photoakustischen Bildgebung mittels optischer Detektion im non-contact Modus für die klinische Diagnostik evaluiert werden. Die Neuheit unseres Ansatzes besteht in der Aufnahme photoakustisch erzeugter Daten mit holographisch-optischer Methodik, die durch Parallelisierung der Datenaufnahme die Bildgebung extrem beschleunigt und so erstmals eine in vivo Anwendung in der klinischen Praxis ermöglicht.

Photoakustische Bildgebung basiert auf der Emission von Druckwellen, die aufgrund von thermoelastischer Expansion als Folge der Absorption gepulster Laserstrahlung von Absorbern emittiert werden. Die Photoakustik ermöglicht damit prinzipiell die Darstellung absorbierender Strukturen in weniger stark absorbierender Umgebung, z.B. von Blutgefäßen in der Haut. Zur Kon­trastierung von Gefäßen wählt man dazu eine stark von Hämoglobin und gering von der Dermis absorbierte Wel­len­länge. Die Druck­transienten werden bisher üblicherweise mit piezoelektrischen Schallwandlern (Punktscan oder Linienarray) an der Haut­oberfläche detek­tiert und analog zur bekann­ten Ultra­schall­­bildgewinnung ausge­wertet. Mit photoakustischer Tomographie wer­den demnach Bilder gene­riert, die nicht auf den meist geringen, akustischen Impedanzdifferenzen beruhen, sondern auf dem wesentlich spezifischeren optischen Kontrast. Hochaufgelösten Bildern, wie in Abb. 1 gezeigt, liegen jedoch Aufnahmezeiten von mehreren Minuten zugrunde, so dass diese bisher nur an narkotisierten Tieren und unter Laborbedingungen erzielbar sind.

Die Abgrenzung unseres Ansatzes gegenüber bestehenden Verfahren liegt in der Art der Druckwellendetektion. Wir messen die durch Anregungslaserpulse initiierte transiente Oberflächenverformung der Haut mit einer modifizierten holographisch-optischen Technik zu messen (Abb. 2). Hierzu wird die Speckleverschiebung während der Ober­flächen­bewegung mit kohärenter Doppelpulstechnik parallel und repetitiv durch eine Hochgeschwindig­keitskamera aufgenommen. Dies verkürzt die Aufnahmezeit gegenüber anderen Verfahren um mehrere Größenordnungen. Aus der im Zeitverlauf detektierten topographischen Änderung kann mit nummerischen Zeitumkehr-Verfahren die absorbierende Struktur dreidimensional tomographisch rekonstruiert werden.

Eigene Publikationen, peer reviewed:
1. Buj C, Münter M, Schmarbeck B, Horstmann J, Hüttmann G, Brinkmann R. Noncontact holographic detection for photoacoustic tomography. Journal of biomedical optics 2017; 22(10):1-14.
2. Horstmann J, Spahr H, Buj C, Münter M, Brinkmann R. Full-field speckle interferometry for non-contact photoacoustic tomography. Physics in Medicine and Biology 2015; 60(10):4045-4058.