Photoakustische Temperaturmessungen zur Hyperthermie

In diesem Forschungsprojekt in Kooperation mit der AG von Dr. Miura wird die hypert­her­mische Stimulation von Zellen und Gewebe in vitro untersucht. Zum Studium der Hyperthermie ist die Bestimmung der exakten Temperaturerhöhung über der Zeitdauer der Wärmeexposition wesentlich, um die Reaktion von Zellen auf eine gezielte thermische Stimulation zu erforschen. Zur Erwärmung der Zellen wird ein kontinuierlich emittierender Thulium-Laser verwendet, dessen Strahlung sehr stark von Wasser absorbiert wird und bei hoher Leistung einen sehr schnellen Temperaturanstieg gewährleistet. Zur Temperatur­messung wird eine photoakustische non-Kontakt-Methode entwickelt, die sich der Temperaturabhängigkeit des thermischen Expansionskoeffizienten von Wasser bedient. Zum Abfragen der Temperaturkurve werden repetierende gütegeschaltete Pulse eines Holmium-Lasers verwendet, die via Scanner jeden beliebigen Ort in der adressieren können.

Eine konkrete therapeutische Anwendung einer photoakustischen Temperatur­messung und -Regelung wird im Projekt RegiLas angewendet, wo die Netzhaut von Patienten im Früh­stadium altersbedingter Makuladegeneration stimuliert werden soll. Hier gilt es zu  Erforschen, ob ein Fortschritt der Erkrankung durch gezielte Hyperthermie verhindert werden kann.

Schematische Skizze des Heiz- und Messaufbaus. Die Strahlung eines kontinuierlich emittierenden Thulium-Lasers wird über eine optische Faser geführt und zum Heizen des Mediums verwendet. Zur Anregung der Photoakustik dient ein gütegeschalteter Holmium-Laser. Der Strahl kann mit einem Scanner an beliebige Stellen der Kulturschale gelenkt werden. Ein Hydrophon außerhalb der Schüsselwand detektiert die Ultraschall-Druckwellen, aus denen die Temperatur an jeder Stelle zu beliebigen Zeiten gemessen werden kann.

Eigene Publikationen, peer reviewed:                   

1. Miura Y, Seifert E, Rehra J, Kern K, Theisen-Kunde D, Denton M, Brinkmann R. Real-time optoacoustic temperature determination on cell cultures during heat exposure: a feasibility study. Int J Hyperthermia 2019; 36(1):466-472.
2. Miura Y, Pruessner J, Mertineit CL, Kern K, Münter M, Moltmann M, Danicke V, Brinkmann R. Continuous-wave Thulium Laser for Heating Cultured Cells to Investigate Cellular Thermal Effects. Journal of visualized experiments : JoVE 2017(124).