DE19510144C1 - Testphantom zur Prüfung von Ultraschallwandlern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Testphantom zur Prüfung von Ultra­ schallwandlern.

Bei der Behandlung von pathologischen Gewebeveränderungen mit fokussiertem Ultraschall wird das im Fokus des Ultraschalls befindliche Gewebe auf so hohe Temperaturen erwärmt, daß eine Nekrotisierung des Gewebes auftritt. Da es sich hierbei um eine irreversible Schädigung des Gewebes handelt, ist es wesentlich, über die Größe der Fokuszone und deren Lage eine Aussage treffen zu können.

Wasserphantome, Glycerinphantome od. dgl. sind für die in die­ sem Zusammenhang durchzuführenden Tests nur wenig geeignet, da zusätzliche Meßmittel, z. B. Druck- und/oder Temperatursen­ soren, erforderlich sind, um einen Ultraschallwandler prüfen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Phantom der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ohne zusätz­ liche Meßmittel eine Aussage bezüglich der Funktion eines Ultraschallwandlers möglich ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Test­ phantom zur Prüfung von Ultraschallwandlern mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Wird ein solches Testphantom mittels des jeweils zu prüfenden Ultraschallwandlers beschallt, so tritt in denjenigen Berei­ chen des Phantoms, in dem der Ultraschall eine Intensität er­ reicht, die in einem lebenden Organismus zu Zellveränderungen führen würde, eine Denaturierung des Eiweißes auf. Dies ist optisch ohne weiteres zu erkennen. Nach Beschallung des Test­ phantoms mittels des zu prüfenden Ultraschallwandlers kann also leicht erkannt werden, ob, und wenn ja, an welchen Stel­ len, der von dem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschall eine für Zellveränderungen und damit zur Behandlung von pathologi­ schen Gewebeveränderungen ausreichende Intensität erreicht. Da das Testphantom ein das Eiweiß aufnehmendes Verdickungs­ mittel enthält, ist verhindert, daß die Testergebnisse in­ folge von durch die mechanische und/oder thermische Wirkung des Ultraschalls bedingte Strömungserscheinungen des Eiweißes verfälscht werden.

Die eiweißabbauende Wirkung von Ultraschall ist an sich be­ kannt, z. B. aus Kenneth S. Suslick: Ultrasound, Its Chemical, Physical and Biological Effects, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26645-3, Seite 293.

Als Verdickungsmittel, die eine Eindickung bzw. Verfestigung des Eiweißes bewirken, sind organisch natürliche Verdickungsmittel, beispielsweise Agar-Agar-Verdickungsmittel, organisch abgewandelte Naturstoffe, z. B. Carboxymethylcellulose, an­ organische Verdickungsmittel, beispielsweise Polykieselsäu­ ren, sowie organisch vollsynthetische Verdickungsmittel ge­ eignet.

Als besonders geeignet hat sich ein organisch vollsyntheti­ sches Verdickungsmittel, nämlich Polyacrylamid-Gel, erwiesen, in dessen Poren das Eiweiß eingelagert ist. Dabei sind groß­ porige Gele wegen ihrer hohen Eiweißaufnabme am besten geeig­ net. Die Eiweißaufnahme und die Gelkonsistenz hängen von dem Verhältnis Monomer zu Crosslinker ab. Sie können über weite Grenzen durch Verändern dieses Verhältnisses eingestellt wer­ den. Als Eiweiß eignet sich insbesondere das Eiklar aus Hüh­ nerei und hier insbesondere der flüssigere Eiklaranteil.

Ein Testphantom aus Hühnereiklar und Polyacrylamid-Gel ist zunächst transparent. Diejenigen Bereiche des Testphantoms, die bei Beschallung mit dem zu prüfenden Ultraschallwandler infolge der thermischen Wirkung des Ultraschalls denaturiert werden, verfärben sich weiß, während die übrigen Bereiche des Testphantoms, in denen keine Denaturierung des Eiweißes auf­ tritt, transparent bleiben.

Es kann auch Eiweiß in Form von Albumin, insbesondere Rin­ deralbumin, verwendet werden, nachdem dieses in Wasser gelöst wurde. Da eine solche Lösung und damit auch das mit dieser Lösung erzeugte Testphantom jedoch eine stark braune Einfär­ bung aufweist, empfiehlt es sich, das Eiweiß zu bleichen. Als Bleichmittel eignen sich beispielsweise Natriumdithionit (Natriumhydrosulfit (Na₂S₂O₄)).

Um Testphantome über längere Zeit lagern zu können, kann das Eiweiß chemisch konserviert sein. Als Konservierungsstoffe eignen sich beispielsweise Bor-, Benzoe-, Sorbin- und Salicylsäure, wobei die ungiftige Sorbinsäure zu bevorzugen ist.

Eine verbesserte Handhabbarkeit des Testphantoms ergibt sich, wenn es von einer Polymerfolie, beispielsweise einer Polyäthylenfolie, vorzugsweise allseitig umgeben ist, was sich beispielsweise durch Einschweißen realisieren läßt. Um schädliche Reflexionen des Ultraschalls zu vermeiden, sollten innerhalb der Polymerfolie keine Luftblasen anwesend sein.

Zur Auswertung eines mit Ultraschall beschallten Testphantoms kann die Einfärbung mit einem die Unterscheidung zwischen denaturiertem und nicht-denaturiertem Eiweiß erlaubenden Farbstoff erfolgen, beispielsweise indem das Testphantom nach der Beschallung aufgeschnitten und an der Schnittfläche ein­ gefärbt wird. Als Farbstoffe eignen sich beispielsweise Acri­ din-Verbindungen. So fluoresziert nicht-denaturiertes Eiweiß nach Einfärbung mit Acridin-orange grün, während denaturier­ tes Eiweiß rot aufleuchtet. Die Fluoreszenz kann neben Be­ trachtung im Fluoreszenzmikroskop bei Blaulicht (3800 bis 2400 AE) auch bei UV-Licht ohne weitere Hilfsmittel erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Testphantom kann erzeugt werden, indem man Agarose, (Agar-Agar-Verdickungsmittel der Fa. Merck, Art.-Nr. 168701) mit Eiklar aus Hühnereiern zu einem Gel an­ setzt.

Das so erhaltene Gel wird gemäß Fig. 1 in eine quaderförmige Polyäthylentasche gegossen. Die Polyäthylentasche 1 ist so geformt, daß sich bei Füllung mit dem Gel ein mit dem Gel 2 ausgefüllter quaderförmiger Bereich mit den Abmessungen 50 × 50 × 10 mm³ ergibt, nach Aushärten des Gels wird die Po­ lyäthylentasche 1 an ihrer offenen Seite gemäß Fig. 2 ohne Einschluß von Luftblasen verschweißt. Das so erhaltene Test­ phantom 3 kann nun mittels des zu prüfenden Ultraschallwand­ lers beschallt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Testphantom aus Polyacrylamid-Gel und Eiklar aus Hühnereiern hergestellt.

Zur Gewinnung des dünnflüssigen Teiles des Eiklars wird das Eiklar gefiltert, wodurch zugleich eine Säuberung, z. B. von den als Chalazen bezeichneten Eiweißsträngen, erfolgt.

Die so gewonnene dünnflüssige Fraktion des Eiklars wird mit den zur Herstellung von Polyacrylamid-Gel erforderlichen Reagenzien vermischt, nämlich

• - Acrylamid als Monomer,
• - N, N′-Methylendiacrylamid als Crosslinker bzw. Quervernet­ zungsreagenz und
• - N, N, N′, N′-Tetrainethylethylendiamin und Amoniumperoxid­ sulfat als Polymerisationskatalysator.

Im Zuge der Vernetzung des Polyamidacryl-Gels werden dann die Makromoleküle des Eiklars in das Gelgefüge, d. h. in dessen Poren, eingelagert.

Der Grad der Eiweißeinlagerung und die Gelkonsistenz hängen von dem Verhältnis Monomer zu Crosslinker ab. Durch den Ei­ weißanteil kann das Testphantom, das gemäß den Fig. 1 bis 3 hergestellt wird, hinsichtlich Eiweißgehalt und Schallabsorp­ tion gut dem jeweils zu simulierenden Gewebe, beispielsweise Prostatagewebe bei Tests von zur Behandlung der benignen Pro­ statahyperplasie (BPH) vorgesehenen Ultraschallwandlern bzw. -applikatoren, angepaßt werden.

Bei Verwendung von beispielsweise aus Rinderblut gewonnenen Albumin kann die Herstellung des Testphantoms sowohl bei Ver­ wendung von Agarose als auch bei Verwendung von Polyacryla­ mid-Gel als Verdickungsmittel in analoger Weise erfolgen, allerdings muß das als Pulver vorliegende Albumin zunächst in Wasser gelöst und die so erhaltene Lösung gebleicht werden. Als Bleichmittel eignet sich, wie bereits erwähnt, Natri­ umdithionit. Mit diesen Bleichmitteln kann übrigens auch das Eiklar aus Hühnereiern gebleicht werden. Bei dem die schwach gelbliche Färbung verursachenden Farbstoff handelt es sich um Ovoflavin, das durch Natriumdithionit in farbloses Dihydrori­ boflavin überführt werden kann. Allerdings ist eine Bleichung wegen der nur schwachen gelblichen Färbung von Hühnereiklar nicht unbedingt erforderlich ist.

Es versteht sich, daß bei der Verarbeitung von Acrylamid wegen dessen Giftigkeit besondere Sicherheitsvorkehrungen einzuhalten sind. Dies gilt besonders bei der Verwendung von pulverförmigem Acrylamid.

Bei der Beschallung eines Testphantoms 3 mit fokussiertem Ultraschall wird gemäß Fig. 3, in die Randstrahlen RS eines Ultraschallfeldes strichliert eingetragen sind, ein entspre­ chend der Geometrie der Fokuszone etwa rotationselliptischer denaturierter Bereich D sichtbar, sofern in der Fokuszone ei­ ne zur Denaturierung des Eiweißes ausreichende Temperatur (< 57°C) erreicht wird.

Claims (9)

1. Testphantom zur Prüfung von Ultraschallwandlern, welches aus nicht denaturiertem Eiweiß und einem dieses aufnehmenden Verdickungsmittel gebildet ist.

2. Testphantom nach Anspruch 1, bei welchem als Verdickungs­ mittel Polyacrylamidgel vorgesehen ist, in dessen Poren das Eiweiß eingelagert ist.

3. Testphantom nach Anspruch 1 oder 2, das Eiweiß in Form von Eiklar aus Hühnerei enthält.

4. Testphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das Eiweiß in Form von Albumin enthält.

5. Testphantom nach Anspruch 4, Eiweiß als Rinderalbumin enthält.

6. Testphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dessen Ei­ weiß gebleicht ist.

7. Testphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dessen Ei­ weiß konserviert ist.

8. Testphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das von ei­ ner Polymerfolie umgeben ist.

9. Verfahren zum Auswerten eines mit Ultraschall beschallten Testphantoms nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches den Verfahrensschritt der Einfärbung mit einem die Unterscheidung zwischen denaturiertem und nicht denaturiertem Eiweiß erlau­ benden Farbstoff aufweist.