Biomedizinische Ultraschallforschung

Die Hauptabteilung Ultraschall bietet die gesamte Kompetenz zur Lösung von medizinischen, biotechnologischen und technischen Aufgabenstellungen im Bereich der Ultraschalltechnologie an: Beratung, Machbarkeitsstudien, Labormuster und Prototypentwicklung bis hin zur zertifizierten Produktentwicklung und Evaluierung. Dies erlaubt die Entwicklung aller Systemkomponenten beginnend mit Materialien mit speziell angepassten Eigenschaften, anwendungsspezifischen Ultraschallwandlern, elektronischen Systemkomponenten und Verfahren, der Softwareentwicklung bis hin zur Sensorfertigung.

Durch die erfolgreiche Etablierung der neuen Geschäftsfelder des hochfrequenten Ultraschalls sowie der Sonartechnologie und Tiefseeforschung konnten neue Kundenkreise gewonnen werden. Im Bereich der Biomedizinischen Ultraschallforschung werden Möglichkeiten des Einsatzes der Ultraschalltechnologie im Bereich der medizinischen Diagnostik und Therapie, sowie in der biologischen Forschung und Technik erforscht und entwickelt, insbesondere die nichtinvasive Informationsgewinnung zur Diagnostik sowie die gezielte Zerstörung von Gewebe oder Freisetzung von Medikamenten in der Therapie. In der Biologie kann Ultraschall zur zerstörungsfreien Charakterisierung von biologischen Materialien und lebenden Organismen sowie zur gezielten Manipulation und als Enabling-Technologie für biotechnologische Prozesse genutzt werden.

In der biomedizinischen Ultraschallforschung entwickelt das Fraunhofer IBMT innovative Ultraschalltechnologie für die Bereiche der medizinischen Diagnostik und Therapie sowie der biologischen Forschung und Technik.

Die medizinischen Forschungsgebiete umfassen die nichtinvasive Diagnostik sowie die gezielte Zerstörung von Gewebe oder Freisetzung von Medikamenten in der Therapie. In der Biologie kann Ultraschall zur zerstörungsfreien Charakterisierung von biologischen Materialien und lebenden Organismen sowie zur gezielten Manipulation und als »Enabling«-Technologie für biotechnologische Prozesse genutzt werden.

Das IBMT betreibt intensive Forschung auf der Suche nach neuen Anwendungsfeldern der Ultraschalltechnologie. Der Einsatz hoch- und höchstfrequenter Systeme bietet den Zugang zu neuartigen Forschungsansätzen im Bereich der translationalen Bildgebung. Insbesondere erlauben der Einsatz der akustischen Mikroskopie in der zellbiologischen Forschung sowie Systeme für die hochauflösende Abbildung von Kleintiermodellen in der präklinischen Grundlagenforschung die nichtinvasive und kostengünstige Untersuchung morphologischer und anatomischer Fragestellungen.

In diesem Bereich werden gezielt Ansätze zur Kombination der Ultraschalltechnologie mit weiteren Bildgebungstechnologien und Modalitäten in kombinierten und hybriden Ansätzen für die molekulare Bildgebung erforscht. Weiterhin im Fokus steht die Wirkung von Ultraschall auf biologisches Gewebe und damit verbundene Anwendungen in der Biotechnologie.

Im Feld der biomedizinischen Anwendungen & Bildgebung ist das Fraunhofer IBMT spezialisiert auf die flexible kundenspezifische Entwicklung von mehrkanaligen Ultraschallsystemen und bildgebenden Verfahren für den Einsatz in medizinischen, biomedizinischen und technischen Anwendungen. Die Bandbreite erstreckt sich vom niederfrequenten Bereich (Sonar- und Therapiesysteme), über den diagnostischen Bereich bis hin zu hochfrequenten und höchstfrequenten Systemen und Abbildungsverfahren für die Bildgebung am Kleintier sowie der akustischen Mikroskopie.

Als systemische Forschungs- und Entwicklungsplattform dient das eigenentwickelte und als Medizinprodukt zugelassene Digitale Phased Array System (DiPhAS), welches flexibel an die unterschiedlichsten Anforderungen angepasst werden kann. Neben den entwickelten Verfahren zur Erzeugung und Verarbeitung von Ultraschallbildern und -signalen sowie deren Rekonstruktion und Visualisierung für den Einsatz in der Diagnostik und interventionellen Bildgebung (Navigation, Therapiekontrolle), bilden frei programmierbare bildgebende Systeme den Zugang zu neuen Lösungsansätzen für präzisere Diagnostik.

Ein weiterer Schwerpunkt der Hauptabteilung Ultraschall liegt im entwicklungsbegleitenden Projektmanagement für die Zulassung von Medizinprodukten nach der EU-Richtline 93/42/EWG.

Kernkompetenzen:

  • anwendungsspezifische Ultraschallforschung und -entwicklung
  • Materialcharakterisierung
  • akustische Mikroskopie
  • optoakustische Verfahren
  • Kontrastmittelentwicklung
  • molekulare Bildgebung
  • Ultraschall Phased-Array-Systeme
  • Sonar-Systeme
  • Kleintier- und translationale Bildgebung
  • Rekonstruktions- und Abbildungsverfahren
  • Signalverarbeitung/Parameterextraktion (Filterentwicklung)
  • analoge und digitale Schaltungsentwicklung
  • Softwareentwicklung und Softwaretools für die Ultraschallsignalverarbeitung
  • intraoperative bildgestützte Navigation und Therapiekontrolle
  • akustische Manipulationssysteme
  • Zertifizierung von Medizinprodukten

Ultraschallforschungsplattform DiPhAS (Digital Phased Array System):

Das DiPhAS stellt durch seine hohe Flexibilität und Skalierbarkeit über einen weiten Frequenzbereich (500 kHz-20 MHz) die Basis für die anwendungsorientierte Forschung und Produktentwicklung dar. Die Einsatzbereiche reichen von industriellen, technischen Applikationen (Sonar, Materialprüfung, etc.) bis zur klinischen Diagnostik.

Besonderheiten der Forschungsplattform sind die offenen Schnittstellen, die eine freie Sendestrahlformung (Beamformig) und den Zugriff auf alle Daten der Signalverarbeitungskette (Einzelkanaldaten, HF-Daten, B-Bilddaten) zulassen. Das System verfügt über 32, 64, 128, 256 Kanäle und lässt den parallelen Betrieb von bis 4 Ultraschallköpfen zu. Es wird z. B. zur Online-Steuerung von Therapiesystemen in der Tumortherapie eingesetzt.

Zudem wurde die neueste Generation des DiPhAS-Systems mit einer photoakustischen Anregung realisiert und für den Sonarbereich das erste hochauflösende Multibeam-Sonarsystem basierend auf der DiPhAS-Technologie in Betrieb genommen.

SonoPilot-thermo:

Ein als Medizinprodukt zugelassenes Ultraschallsystem zum Monitoring interstitieller Thermotherapien.

SKINSPECTION – Multimodale Bildgebung zur Hautdiagnostik:

Im Rahmen des SKINSPECTION-Projektes wird ein neuartiges Diagnosegerät zur nichtinvasiven Bildgebung der Haut durch ein europäisches Konsortium entwickelt und in einer klinischen Studie zur Diagnose von Hautkrebserkrankungen validiert. Die Erkrankungsraten für Hautkrebs steigen in Europa, den USA und vor allem Australien rapide an, was den Bedarf nach einer effektiven Früherkennungsmethode verstärkt.

Melanome, die häufigste und zugleich aggressivste Form von Hautkrebs, sind der zweithäufigste allgemeine Krebs bei Frauen im Alter zwischen 20-29 Jahren und der sechsthäufigste allgemeine Krebs bei Männern und Frauen insgesamt. Im Jahr 2007 wurden alleine in den USA mehr als 1 Million neue Fälle bestimmt. Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass in diesem Jahr 60 000 Menschen durch zu viel Sonnenlichtexposition sterben werden: 48 000 an Melanomen und 12 000 an anderen Arten des Hautkrebses.

Eine bedeutende Verbesserung der gegenwärtigen dermatologischen Diagnosewerkzeuge wird daher benötigt, um Hautstörungen bereits im Anfangsstadium zu identifizieren und um die Effekte der Behandlung direkt zu überwachen. Dazu wurde in SKINSPECTION ein nichtinvasives multimodales hybrides Bildgebungssystem für die klinische Diagnostik von Hautläsionen entwickelt. In dem vom Fraunhofer IBMT koordinierten Vorhaben wurde eine kombinierte Plattform aufgebaut, welche mikroskopische optische Verfahren wie 2-Photonenmikroskopie und FLIM (FluorescenceLifetime Imaging) mit hochaufgelöstem Ultraschall und Optoakustik kombiniert.

Durch die Kombination der Modalitäten können Hautveränderungen sowohl makroskopisch (Ultraschall/Optoakustik) als auch mikroskopisch mit subzellularer Auflösung dargestellt werden. Nach der Zulassung der entwickelten Module läuft derzeit eine klinische Prüfung, in der das neue Bildgebungssystem erstmalig in einer multizentrischen Studie am Patienten evaluiert wird. Das Projekt liefert ein neues, einzigartiges Werkzeug für die frühe Diagnostik und die Steuerung der Behandlung von Hautkrebs und Hautkrankheiten.

»TieTeK«:

Im Projekt »TieTeK«, welches von der Fraunhofer-Gesellschaft als marktorientiere Vorlaufforschung finanziert wird, konnten erste Sensorik- und Aktorik-Module in der hauseigenen Druckkammer erfolgreich für den Einsatz in der Tiefsee bei 600 bar Außendruck getestet werden und ein erster Prototyp des Gesamtfahrzeugs im Meer in Betrieb genommen werden. Diese zukunftsweisenden Entwicklungen auf dem neuen Geschäftsfeld der Unterwassersensorik und Tiefseetechnologie werden von der Fraunhofer-Gesellschaft durch eine strategische Investitionsmaßnahme zum Aufbau einer Testplattform für Unterwasser-Kommunikationssysteme unterstützt.